Ciencias para el mundo contemporáneoProfesora: Alexandra Prada Alonso

Curso 2009-2010

Los primeros materiales: la gran evolución en la Prehistoria

La Edad de PiedraComenzó hace 2,5 millones de añosLa Edad de Piedra es el período de la

Prehistoria durante el cual, los seres humanos crearon herramientas de piedra debido a la carencia de una tecnología más avanzada.

En este período tuvieron lugar fenómenos fundamentales para lo que sería nuestro futuro: la evolución humanala evolución sociallos cambios climáticosla diáspora del ser humano por todo el mundo

habitable (ecúmene), desde su cuna africana.

la revolución económica desde un sistema recolector-cazador, hasta un sistema parcialmente productor (entre otras cosas)

las grandes adquisiciones tecnológicas (fuego, herramientas, vivienda, ropa...)El descubrimiento fue de forma accidental:

rotura al chocar dos piedras entre si, fracturándose y dejando como consecuencia unos bordes afilados. Se usó:Como arma para cortar o cazarComo arma para la defensa ante animales u otros

gruposComo herramienta para el tratamiento del cuero,

huesos madera

La Edad de los MetalesEsta etapa une la Prehistoria con la HistoriaEl periodo de la evolución tecnológica de la

humanidad caracterizado por el desarrollo de la metalurgia; Comienza antes del V milenio a. C. y acabaría en

cada lugar con la entrada en la Historia, para buena parte de Europa en el I milenio a. C.

El uso de los metales nace en la Península de Anatolia a partir del 5.000 a.C.

De allí se difunde a Mesopotamia y Egipto: carecen de yacimientos minerales y se inicia un comercio de metales a través del Mediterráneo, en busca de cobre y estaño

Este contacto permite la difusión de su conocimiento y permite el desarrollo cultural de los pueblos que comerciarán con los orientales.

El hombre necesitó de elementos fuertes y resistentes que le permitieran una mejor confección de sus utensilios y armas ; ello lo encontró al emplear los metales desde, aproximadamente ,el año 4 000 a.c .

Dentro de este periodo podemos hablar de diferentes etapas según el material imperante: Edad de Cobre , Edad de Bronce y Edad de Hierro

Edad de CobreEl periodo de esta edad fue del año 4 ooo -3 ooo a.c.Características :

Invención de la metalurgiaDesarrollo de la agricultura : arado, regadío, estiércol y

nuevos cultivos (olivo ,vid...)Desarrollo de la ganadería ,domesticación del asno y el

buey, obtención de leche ,lana ,queso y yogurt...Desarrollo de la minería

El hombre prehistórico aprendió a usar el cobre el cual era fácil de obtener debido a sus presencia en la superficie terrestre mezclado con otros minerales: proceso de la metalurgia: a través de la experimentaciónde la casualidad ,caída de cobre al fuego.

Así construyó vasijas y arma cuyo uso combinaron con la piedra pulimentada. El cobre, junto con el oro y la plata, es de los primeros metales utilizados en la Prehistoria

La Edad de BronceEl periodo de esta edad fue del año 3000-1 5oo a.c.Características:

Aparición del primer Estado, la primera autoridad política.La organización social se ha hecho más compleja que en los

poblados neolíticos. Desaparición de la igualdad socialEl bronce es resultado de la aleación de cobre (90%) +

estaño (10%) aproximadamente , obteniéndose un metal mas duro y resistente

El descubrimiento de este material fue de forma accidental fabricando alfarería.

Descubrieron una forma de producir un nuevo materia, difícilmente encontrable en la naturaleza: cobre metálico.

Se usó para fabricar herramientas (hachas, flechas…)Ventajas:

Se podían fabricar de mayor tamaño que las de piedra.Eran mucho menos frágiles

La Edad de HierroEl periodo de esta edad fue del año 1500 a.c. –

primer milenio d.c.Características:

Es el estadio en el desarrollo de una civilización en el que se descubre y populariza el uso del hierro como material para fabricar armas y herramientas.

En algunas sociedades antiguas, las tecnologías metalúrgicas necesarias para poder trabajar el hierro aparecieron de forma simultánea a otros cambios tecnológicos y culturales, incluyendo muchas veces cambios en la agricultura, las creencias religiosas y los estilos artísticos, aunque ese no ha sido siempre el caso.

El hierro le permitió al hombre dominar mejor el medio y ampliar su horizonte cultural.

Los hititas fueron los primeros en usar el hierro

Clasificación de los materiales

Metales. Tienen como característica una buena conductividad eléctrica y térmica,  alta resistencia, rigidez, ductilidad.  Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga.

Cerámicos. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica y son usados a menudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas de procesos consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga.

Polímeros. Son grandes estructuras moleculares creadas a partir de moléculas orgánicas. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia y debe evitarse su uso a temperaturas elevadas. Termoplásticos, en los que las cadenas moleculares no están

conectadas de manera rígida, tienen buena ductibilidad y conformabilidad

Termoestables son más resistentes, a pesar de que sus cadenas moleculares fuertemente enlazadas los hacen más frágiles. Tienen múltiples aplicaciones, entre ellas en dispositivos electrónicos.

Semiconductores. Su conductividad eléctrica puede controlarse para su uso en dispositivos electrónicos. Son muy frágiles.

Materiales compuestos. Como su nombre lo indica, están formados a partir de dos o más materiales de distinto grupos, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de forma individual.

Elección de materiales

Los metalesMetal se denomina a los elementos químicos

caracterizados por:ser buenos conductores del calor y la electricidadposeen alta densidadson sólidos en temperaturas normales (excepto el

mercurio y el galio)sus sales forman iones electropositivos (cationes) en

disolución.La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un solapamiento entre la banda de valencia y la banda de conducción en su estructura electrónica (enlace metálico).

Propiedades:Dureza: resistencia que se opone a ser rayado o

penetrado.Elasticidad: capacidad de recobrar su forma y

dimensiones originales al cesar la fuerza que provocaba la deformación

Maleabilidad: capacidad de los metales de hacerse láminas al ser sometidos a esfuerzos de compresión.

Ductilidad: propiedad de los metales de moldearse en alambre e hilos al ser sometidos a esfuerzos de tracción.

Tenacidad: resistencia que presentan los metales a romperse al recibir fuerzas bruscas (golpes, etc...)

Resistencia mecánica: capacidad para resistir esfuerzo de tracción, comprensión, torsión y flexión sin deformarse ni romperse.

Clasificación:Metales férricos

Son aquellos que contienen hierroProductos siderúrgicos: aceros y fundiciones

Metales no férricosSon aquellos que no contienen hierroDependiendo de su densidad, se clasifican en:

Metales pesados: cobre, plomo, estaño, cinc, níquel, cromo, mercurio o wolframio.

Metales ligeros: aluminio, titanio Metales ultraligeros: magnesio

Extracción de los metalesLa mayoría de los metales usados por el ser

humano no se encuentran en estado puro en la naturaleza

La explotación de los yacimientos se realizan en instalaciones llamadas minas.

Nuevos materialesMuchas veces al crear un nuevo material, se

produjo un gran cambio tecnológico a nivel mundial, cambiando a su vez la vida cotidiana de las personas, en su mayoría de las veces mejorando las cosas.

Cuando inventaron el bronce, el hierro, el acero, el petróleo, los plásticos surgieron grandes cambios.

Hoy en día, debido a los avances en física, química e informática, la creación de nuevos materiales se ha convertido en algo más que esperanzador, en una realidad.

PiezoelectricidadLa piezoelectricidad es un fenómeno

presentado por determinados cristales que al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización eléctrica en su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie.

Este fenómeno también se presenta a la inversa, esto es, se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico.

El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma.

La propiedad de la piezoelectricidad fue observada por primera vez por Pierre y Jacques Curie en 1881 estudiando la compresión del cuarzo. Al someterlo a la acción mecánica de la compresión, las cargas de la materia se separan y esto da lugar a una polarización de la carga. Esta polarización es la causante de que salten las chispas.

Para que la materia presente la propiedad de la piezoelectricidad debe cristalizar en sistemas que no tengan centro de simetría (que posean disimetría) y por lo tanto que tengan un eje polar.

De las 32 clases cristalinas, 21 no tienen centro de simetría. Todas estas clases menos una tienen la propiedad piezoeléctrica en mayor o menor medida.

Los gases, los líquidos y los sólidos con simetría no poseen piezoelectricidad.

AplicacionesMechero eléctrico:

El tocadiscos, los vinilos, la famosa aguja era un material piezoeléctrico. El esfuerzo mecánico de la aguja produce un voltaje que luego es amplificado y suena la música de los surcos por donde pasaba.

Microscopios de efecto de túnel para el acercamiento de la aguja sobre la superficie que se desea medir

Válvulas ultrasensibles: para mediciones de velocidad de vehículos en carreteras y ciudades, en que se ponen elementos piezoeléctricos en la calle o carretera, y cuando es pisado por los autos producen un voltaje y se calcula el tiempo que demora un auto en pasar de un punto al otro permitiendo estimar la velocidad, también se puede medir el flujo vehicular con este sistema.

Dispositivo de ultrasonido para curar lesiones musculares, aquí el material cerámico se fabrica como vendas como el aparato para medir la presión arterial, esto es una aplicación médica de los materiales piezoeléctricos que son usados como generador de frecuencias ultrasónicas.

Materiales superconductores y superplásticos

Se denomina superconductividad a la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia y pérdida de energía nulas en determinadas condiciones.

Un superconductor tiene dos características esenciales por debajo de una temperatura crítica característica (Tc), dependiente de la naturaleza y estructura del material:

los superconductores exhiben resistencia cero al flujo de electricidad y

pueden expulsar el flujo magnético de su interior, dando lugar al fenómeno de levitación magnética.

AplicacionesEl SQUID o dispositivo superconductor de

interferencia cuántica.Fue una de las primeras aplicaciones comerciales

de la superconductividad. Basado en las uniones Josephson, son captadores

magnéticos extraordinariamente sensibles que permiten medir campos magnéticos y tensiones eléctricas increíblemente débiles, con una resolución del orden del picovoltio, una billonésima de voltio.

Los SQUID llevan utilizándose ininterrumpidamente desde los años 60 en multitud de aplicaciones: detección súper precisa de las señales eléctricas del

cerebro y el corazón, comprobación no destructiva de tuberías y puentes (la

fatiga del metal produce una firma magnética peculiar), paleomagnetismo, sensores geológicos para prospecciones petrolíferas, equipos militares de detección de sumergibles y un largo

etcétera.

Transporte levitado por electroimanes. Cuando se utilizan electroimanes para levitar un

vehículo, por ejemplo trenes, para eliminar la fricción y alcanzar altas velocidades, los electroimanes pierden energía en calor.

Utilizando superconductores, además de no perder energía en calor por su nula resistencia, el tamaño disminuiría notablemente.

Aceleradores de partículas de muy alta energía. Estos podrían acelerar las partículas a velocidades

cercanas a la de la luz. Con electroimanes superconductores esto podría ser posible.

SuperplásticosLa superplasticidad es un fenómeno que se

da cuando procesamos especialmente un material y le aplicamos un tratamiento térmico, como consecuencia, dicho material puede llegar a una gran deformación, pero sin perder su homogeneidad antes de la rotura.

Se habla de superplasticidad cuando las deformaciones del material alcanzan el 500% de su tamaño original.

Materiales en ingenieríaExisten muchos aspectos dentro de la ingeniería

donde los diferentes materiales se han desarrollado:Materiales para el espacioMateriales para la construcción

Materiales para el espacioEl área de la aerodinámica y en especia la industrial

aeroespacial ha sufrido un gran avance durante la última mitad del siglo XX y principios del XXI.

Muchos materiales primeramente usados en “naves espaciales” ahora se usan en la vida cotidiana:Materiales compuestosCerámicas reforzadas con fibrasEstructuras laminares de aluminio, cobre y carbonoFibras de vidrioAcero de nuevas aleaciones.

La metalurgia es una ciencia que ha avanzado mucho en este sector, usando nuevas aleaciones para el acero , titanio y circonio.

Entre las investigaciones en esta área en nuevos materiales se pueden citar:Membranas ligeras y resistentes a la radiación.Materiales ópticos que mejoren la fiabilidad de

los satélitesPolímeros delgados y flexibles que puedan

resistir los impactos de meteoritos y faciliten la construcción de aparatos más flexibles.

Lentes y espejos plegables.

Materiales para la construcciónUno de los materiales que está revolucionando esta

área es el composite.El composite es un material compuesto por fibras

rectas y largas situadas en el interior de una matriz que mantiene las fibras unidas y distribuye los esfuerzos.

La matriz es el material que envuelve a las fibras y le proporciona volumen, con lo que el material resultante es muy resistente y de bajo peso.

Se usa en:Piezas de automóvil donde se necesita gran resistencia,

pero poco pesoAirbus 310 posee partes de su estructura de este

compuesto.Construcción de puentes ligeros (Asturias)

PolímerosLos polímeros son macromoléculas (generalmente

orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros.

Características:Alta plasticidadAlta ElasticidadAlta resistencia mecánicaAlta resistividad eléctricaBaja o nula reactividad

Aspectos positivos:Han supuesto un avance en nuestra sociedad, ya que gran

número de objetos cotidianos están constituidos por este material

Aspectos negativos:Grandes problemas medioambientales:

No biodegradación La incineración genera compuestos venenosos No reutilizables.

Clasificación

Aplicaciones

La NanotecnologíaLa nanotecnología es el estudio, diseño, creación,

síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nano escala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nano escala.

Su unidad de medida es el nanómetro (10-9m).Cuando se manipula la materia a la escala tan

minúscula de átomos y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas.

La nanotecnología involucra a las ciencias químicas y bioquímicas, la biología molecular y la física, y las tecnologías de ingeniería electrónica y de proteínas, imágenes electrónicas y física y química computacional

Historia

ConceptosFullerenos: moléculas de carbono puro que

tienen la apariencia estructural de un balón de fútbol.

Nanotubos: pequeños tubos formadas por átomos de carbono puro.

Ramas de investigaciónNanotecnología seca

Se centra en la fabricación de estructuras de carbón (por ejemplo fullerenes y nanotubos), silicio y otros materiales inorgánicos y metales.

Se emplea en electrónica, magnetismo y dispositivos ópticos.

Autoensamblaje a nivel molecular por ordenador.Nanotecnología húmeda

Esta tecnología se basa en sistemas biológicos que existen en un entorno acuoso incluyendo material genético, membranas, encimas y otros componentes celulares.

También se basan en organismos vivientes cuyas formas, funciones y evolución, son gobernados por las interacciones de estructuras de escalas nanométricas. 

Nanotecnología computacional Con esta rama se puede trabajar en el modelado y

simulación de estructuras complejas de escala nanométrica. Se puede manipular átomos utilizando los

nanomanipuladores controlados por computadoras. 

Sistemas en desarrolloSistemas de almacenamiento

ultrapequeñoNonoordenadoresPantallas flexibles con

nanotubos

Aplicaciones médicasAplicaciones energéticasPotenciales aplicaciones

espacialesColaboración contra el deterioro

del medio ambiente

Control de recursos

Problemas y solucionesRápido y constante

crecimiento de la población que exige un aumento de la producción de los bienes de consumo y alimentos.

Los metales de los que estamos rodeados se obtienen de minerales cuyas reservas son finitas y acaban agotándose

La madera necesita un tiempo de crecimiento para su renovación

El agua dulce es otro recursos escaso en la actualidad, debido a su gran demanda en agricultura y consumo humano.

Desarrollo sostenible en agricultura, ganadería y pesca teniendo en cuenta:

Mejora de técnicas de explotación

Uso de procesos de rotación

Compaginar prácticas ganaderas con agrícolas

Establecer paros biológicos

Fomento de piscifactorías.

Crear procesos de reciclado de metales y madera para mitigar la falta de recursos

Conciencia sobre el gasto y contaminación de agua dulce