-tema 4-
LOS MATERIALES Y EL SER HUMANO. LOS NUEVOS
MATERIALES
ÍNDICE
1. LA HISTORIA DE LOS MATERIALES 2. MATERIALES DE ORIGEN NATURAL
2.1. Materiales de origen vegetal 2.2. Materiales de origen animal 2.3. Materiales de origen mineral
3. MATERIALES ARTIFICIALES O SINTÉTICOS 4. NUEVOS MATERIALES
1. LA HISTORIA DE LOS MATERIALES
Como ya hemos visto en el anterior tema, la humanidad ha estado ligada a una continua evolución tecnológica que nos ha permitido fabricar todo tipo de objetos para mejorar nuestras condiciones de vida. Para conseguirlo ha sido necesaria la búsqueda de más y mejores materiales.
Un material es todo aquello que nos sirve para construir un objeto que mejora
nuestra calidad de vida.
Los primeros materiales se obtuvieron del entorno que rodeaba al ser humano, por lo que eran todos de origen natural. Posteriormente, la capacidad intelectual y el desarrollo del conocimiento dio lugar a la capacidad de construir nuevos materiales, materiales hechos por el propio hombre, los materiales sintéticos o artificiales.
Los materiales son tan importantes que han dado nombre a las diferentes etapas de nuestra historia: la Edad de Piedra y la Edad de los Metales.
Hace 2,6 m.a., un antecesor del ser humano, probablemente Homo habilis, en África oriental, es capad de usar la madera y las piedras, sobre todo el sílex, para fabricar diferentes herramientas que les servían para cazar, curtir pieles, cortar la carne, etc.
Con la aparición de especies más complejas el uso de estos materiales se diversificó y perfeccionó. La piedra se pule y con ellos su uso es más eficiente. Este desarrollo se llevó a cabo durante el Paleolítico y el Neolítico.
El descubrimiento y uso de metales da lugar a una nueva disciplina, la metalurgia. El uso de los diferentes minerales, dio lugar a las nuevas edades. Según el orden de utilización se diferencian cuatro edades: la Edad del Cobre (4000 a 2500 a.C.), la Edad de Bronce (2200 a.C.), la Edad del Hierro (800 a.C.) y la actual Edad del Silicio.
2. MATERIALES DE ORIGEN NATURAL
Son todos aquellos materiales que se obtienen de la naturaleza y se utilizan para un determinado fin, como la madera, la seda, el lino, el oro, etc.
2.1. Materiales de origen vegetal
Los más importantes son la madera y las fibras vegetales. 2.1.1. Madera
Es un material duro, pero ligero que puede cortarse y tallarse. Sus principales usos son para la edificación (vigas), fabricación de muebles y herramientas y como combustible en varias facetas (leña, briquetas, pellets, carbón vegetal)
2.1.2. Fibras vegetales
Generalmente de ellas se extraen los hilos con los que luego se tejen diferentes artículos como ropa, alfombras, cortinas, etc. Las más importantes son el algodón, el lino, la seda y el esparto.
2.2. Materiales de origen animal
2.2.1. Piel y cuero
Las pieles ofrecen propiedades aislantes, fundamentalmente del frío. El problema es que al ser un tejido natural, con el paso del tiempo se pudre, se endurece y se vuelve quebradiza. Para evitarlo, o para alargar su vida, hay que someterla a diferentes procesos, como el curtido, que es el proceso que convierte a la piel en cuero. Su utilización fundamental es para la fabricación de ropa de abrigo y fabricación de complementos.
2.2.2. Seda
La seda es una fibra natural, compuesta por proteínas que se obtiene de las larvas de algunos insectos y que se utiliza para la fabricación de ropa.
2.2.3. Lana
Este material se obtiene de los ovinos tras el trasquileo (corta de pelo) que se realiza todos los años. Tras su hilado se fabrica ropa de abrigo y, sobre todo, mantas.
2.3. Materiales de origen mineral
Los metales, en su conjunto, ofrecen una amplio abanico de posibilidades. La mayoría son capaces de conducir el calor y la electricidad. Los hay duros y resistentes, maleables, brillantes, magnéticos y un sinfín de características más.
Normalmente, se encuentran asociados químicamente con otros elementos. En esta situación no manifiestan sus propiedades útiles por lo que hay que extraerlos.
Los más importantes son el hierro, el aluminio, el silicio y el titanio. 2.3.1. Hierro
Sigue siendo uno de los metales más utilizados en la actualidad, debido a su abundancia, a la facilidad de obtención y a su resistencia. Normalmente no se utiliza en estado puro (salvo para la ferralla y la forja), lo más frecuente es emplear una de sus aleaciones, el acero.
Una aleación es una mezcla de diferentes materiales para obtener un nuevo material con sus propiedades mejoradas.
El acero es la aleación de hierro con carbono. Se puede utilizar directamente, pero normalmente se le añaden otros metales, como níquel, cromo, manganeso o vanadio, para conseguir mejorar su resistencia mecánica y corrosiva.
Se utiliza mucho en los utensilios de cocina, es el conocido como acero inoxidable, es muy resistente a la corrosión, de ahí su uso. Además presenta gran flexibilidad.
También podemos encontrar acero en los electrodomésticos, instrumentos quirúrgicos, herramientas, vehículos, edificios, etc.
2.3.2. Aluminio
Es uno de los metales más abundantes de la corteza terrestre, pero se necesita una alta tecnología para su extracción. Se obtiene a partir de la bauxita. Tiene múltiples aplicaciones en la sociedad actual por sus propiedades. Es un gran conductor eléctrico, tiene baja densidad y alta resistencia a la corrosión, gran resistencia mecánica y ligereza. Se utiliza en líneas de alta tensión, en objetos expuestos al medio (puertas y ventanas), en latas de refrescos, en conservas, como papel para envolver los alimentos, en aeronáutica, etc.
2.3.3. Silicio
Es muy utilizado en la actualidad. Abunda en las rocas de la corteza terrestre en forma de sílice (óxido de silicio) y de silicatos. Por sus propiedades, cabe destacar dos formas de uso:
Por sus propiedades eléctricas, al ser semiconductor, es decir, dependiendo de las circunstancias se puede comportar como conductor o como aislante, es muy útil en componentes electrónicos como diodos, leds, memorias. Además algunos también poseen la capacidad de producir electricidad cuando reciben luz, por eso son la base de la energía fotovoltaica (placas solares para producción de electricidad).
2.3.4. Titanio
Se obtiene a partir del rutilo. Hoy en día es muy utilizado por su alta resistencia a la corrosión, a la presión y a las altas temperaturas y por su nula toxicidad. Pero presenta un gran inconveniente, su elevado precio.
Es uno de los materiales que más favorecen el desarrollo de la tecnología actual. Es fundamental en la industria aeronáutica y aeroespacial (aviones comerciales, cohetes, …) y para aplicaciones médicas (implantes dentales y quirúrgicos que no provocan rechazo).
2.3.5. Coltán
El coltán no es un mineral, sino siglas comerciales para nombrar a un conjunto de minerales que presentan en su composición una alta concentración de de tantalio y niobio.
El tantalio es dúctil, muy resistente a la corrosión y muy buen conductor de la electricidad (superconductor), soporta temperaturas muy elevadas por lo que es muy resistente al calor. Si el tantalio metálico se combina con el óxido de tantalio puede almacenar, temporalmente, carga eléctrica y liberarla cuando se necesita.
Se utiliza para fabricar condensadores de alta capacidad y pequeño tamaño y delgados lo que le hace apto para el uso de la tecnología actual (teléfonos móviles, microprocesadores, GPS, cámaras digitales, etc.).
No solamente son estos sus usos, pues también se emplean en turbinas de aerogeneradores, reactores nucleares, recipientes refractarios, herramientas de corte, etc.
3. MATERIALES ARTIFICIALES O SINTÉTICOS
Son los materiales que surgen de la transformación, por procesos industriales, de las materias primas presentes en la naturaleza y que cambian su aspecto y sus utilidades.
3.1. Papel
Es un material que se compone de pasta de fibras de celulosa que se extrae de la madera y de otras fuentes vegetales. Por su capacidad absorbente es ideal para la escritura, cocina y la higiene. El principal problema de su uso es la deforestación, por eso se hace fundamental el reciclaje de este material.
3.2. Vidrio
Se obtiene a partir de dióxido de silicio (arena), carbonato de calcio (caliza) y carbonato de sodio (ceniza de sosa). Si, además, se le añade borato de sodio adquiere gran resistencia (material de laboratorio). Para obtener diferentes colores, a la mezcla inicial hay que añadir óxidos metálicos. Sus aplicaciones son la fabricación de botellas, tarros, copas, vasos, decoración, etc. No hay que confundir el vidrio con el cristal.
Actualmente se utiliza para hacer fibras ópticas que son hilos de vidrio muy delgados y excepcionalmente transparentes, que son capaces de transportar la información en forma de señales luminosas por su interior, por eso se utilizan como cables de comunicaciones de alta eficiencia.
3.3. Cerámica
Se fabrica a partir de la arcilla. Es un material moldeable si se encuentra humedecida, mientras que en el proceso de secado se endurece y se convierte en un material frágil. Es un material muy poroso, por eso se le suele aplicar un barniz tras su elaboración (dependerá del uso al que va destinado).
Se emplean para recubrimiento de hornos, fabricación de ladrillos y baldosas, elaboración de vajilla, adornos, electrónica, ingeniería aeroespacial, motores, implantes dentales y prótesis sanitarias.
3.4. Materiales compuestos
También reciben el nombre de composites. Estos materiales se fabrican añadiendo a una matriz (por ejemplo, resina) un material de refuerzo (fibras vegetales, vidrio, polímeros).
Tienen la propiedad de conservar las propiedades de la matriz e, incluso, mejorarla, proporcionando alta resistencia y elasticidad, aunque su inconveniente es el elevado coste de fabricación.
Se utilizan en la industria aeronáutica y de la automoción.
4. NUEVOS MATERIALES
La elaboración de materiales se ha ido perfeccionando gracias a las innovaciones tecnológicas. La revolución de la química en el siglo XIX, de la física en el XX y de la informática en la actualidad, ha hecho posible la manipulación de la materia a escala microscópica. Resultado de ello es una nueva técnica, la NANOTECNOLOGÍA, ciencia que trabaja a escala nanométrica a partir del reordenamiento de los átomos y las moléculas.
4.1. Polímeros
Los plásticos se obtienen mediante la transformación química de hidrocarburos, sobre todo, procedentes del petróleo. Los plásticos se encuentran en la mayor parte de los objetos o sustancias que utilizamos de manera cotidiana. Este uso tan común es debido a la gran variedad de propiedades que poseen y a su bajo coste.
Dentro de sus múltiples propiedades cabe destacar la baja conductividad térmica y eléctrica, baja densidad, estabilidad frente a agentes químicos y atmosféricos, facilidad para ser moldeados, flexibilidad, impermeabilidad y biocompatibilidad.
Por estas propiedades, los usos son múltiples. Cabe destacar los siguientes: fabricación de aislantes térmicos y eléctricos (mangos de utensilios de cocina), fabricación de objetos que flotan en el agua (artículos de playa), cerramientos, fabricación de fibras (nailon, poliéster, poliamida, aparecen en prendas de vestir, calzado, complementos), fabricación de recipientes (botellas para contener diferentes líquidos, tuperware, ), implantes estéticos, lentes intraoculares y un largo etc.
4.2. Grafeno
El grafeno es un material bidimensional formado por átomos de carbono puro dispuestos en un patrón hexagonal en láminas de un átomo de espesor.
Las principales propiedades de este material es su ligereza, resistencia, alta conductividad térmica y eléctrica y capacidad de autopreparación.
Los principales usos son en la fabricación de microchips (a partir del grafeno son más ligeros, funcionales y fiables), conductores en aviones naves espaciales, pantallas táctiles, placas solares, prótesis, componente de maquinaria, etc.
4.3. Aerogeles
Su componente mayoritario es aire (más del 90%). Son muy ligeros, excelentes aislantes, soportan bien el peso y se pueden reciclar.
4.4. Materiales biocompatibles
Se diseñan para que se integren en los seres vivos. Sus principales aplicaciones son médicas, como prótesis, válvulas coronarias y tejidos artificiales.
4.5. Biotecnología
Es una nueva disciplina que aprovecha seres vivos, microorganismos (generalmente bacterias) para la obtención de nuevos materiales. Actualmente se trabaja en diferentes campos. Una de las aplicaciones que ya se están poniendo en uso es la obtención de celulosa o de fibras.
