Tema 8. NUEVAS NECESIDADES, NUEVOS MATERIALES

Índice:

1.- Materia2.- Materiales3.- Materia prima4.- Acero, plástico y papel5.- Nanociencia6.- Nanotecnología

La MateriaLa materia está constituida por átomos.Los 116 átomos conocidos se recogen y

organizan en la tabla periódica.

¿Cuáles son naturales?

De ellos 90 son naturales y se han ido formando en:

• Primeros instantes del

universo (H,He y Li), • Interior de las estrellas

por fusión del H y He (C, N, O, hasta el Fe)

• Explosiones de supernovas (el resto, como el Au y la Ag).

A partir de los átomos (“ladrillos”) por combinación o mezcla se compondrá toda la materia

Los átomos son las partículas constitutivas de los elementos químicos, cada uno con sus propiedades.

Los elementos se combinan para formar los compuestos químicos (de propiedades diferentes a los elementos).

Los elementos y/o compuestos se pueden mezclar para mejorar algunas de sus propiedades, adecuadas a determinadas funciones, (el Cu y el Sn se mezclan para obtener la aleación denominada Bronce).

Los materiales se pueden mezclar para dar lugar a un material de propiedades distintas a los primeros que denominaremos composite (adobe de barro y paja, madera contrachapada o poliamida).

MATERIALES

Se denomina material a la materia preparada y disponible para elaborar cualquier producto.

Tipos según procedencia: • Naturales (obtenidos de la naturaleza) :

madera, granito. Etc.• Transformados (obtenidos por transformación o

mezcla de material natural): papel, caucho vulcanizado, cemento, acero, etc.

• Artificiales o sintéticos (obtenidos de procesos químicos o físicos): plásticos, fibras artificiales, etc.

• Reciclados (a partir de objetos del mismo material): papel, vidrio, etc.

PROPIEDADES DE LOS MATERIALESMecánicas Densidad

Masa contenida en la unidad de volumen

Madera flota en el agua

Dureza

Resistencia a ser rayado

El más duro es el diamante

Tenacidad

Soportar golpes sin romperse

Martillo de acero

Ductilidad

Estirares en hilos

Hilos de cobre

Fragilidad

Se rompe con los golpes

En el vidrio se incrustan otros materiales para reducir la fragilidad

Maleabilidad

Extenderse en láminas o planchas

Papel de alumnio

Resitencia a

TracciónCompresiónTorsiónFlexión

Elasticidad

Recupera la forma

La fibra de carbono es muy flexible

Plasticidad

Capacidad de deformarse sin romperse

Plastilina

Ópticas ColorBorde rojo indica peligro en señales de tráfico

Transparencia

La fibra de vidrio ( muy transparente) permite paso luz sin atenuarse

ReflectividadSeñales viarias y chalecos reflectantes

Indice refracciónCada material refracta la luz de una manera(gafas)

BrilloBrillantes

Fluorescencia

Lámparas fluorescentes

Capacidad de polarización de la luzPantallas de calculadora de cristal líquido

Térmicas Tª de FusiónWolframio de la bombillas (alta tª de fusión)

Conductividad térmicaBaquelita(mango sartenes). Aislante

Capacidad de dilataciónTermostatos(dos láminas de diferente dilatación

Calor específicoPlatos de barro conservan calor (Alto calor específico)

Electromagnéticas

Conductividad eléctricaHilos de Cobre, Plata

Comportamiento magnéticoAgujas de brújula atraídas por imán

Acústicas Conductividad del sonidoPorexpan (aislante)

Químicas Resistencia a la corrosiónAceros inoxidables

MATERIA PRIMA• Sustancia que se extrae directamente de la naturaleza a

partir de la que se obtienen los materiales.

La obtención de materias primas es un factor que afecta a la economía y pueden acarrear problemas políticos, sociales y medioambientales.

De la materia prima(minerales) al material (metal)

• Uno de los materiales más utilizados son los metales.

• De la mina se extraen los minerales, de los que se separa la ganga de la mena, a partir de la que se obtienen los metales mediante dos procesos:

• reducción por calor (Fe, Zn, Ag) • electricidad(electrólisis) (K, Na, Li, Ca, Mg, Al)

El coltán

Mezcla de dos minerales: La columbita (óxido de niobio con hierro y magnesio) y la Tántalita (óxido de tántalo con hierro y magnesio) que se encuentran juntos como parte de ciertos granitos; a partir de ellos se obtienen:

– El Niobio (Nb): fabricación de imanes de alto poder magnético, clave del desarrollo de micromotores(discos duros), altavoces y auriculares potentes y precisos. Tiene aplicaciones para ordenadores, industria aereospacial, levitación magnética o implantes médicos

– El Tántalo(Ta): fabricación de condensadores, está presente en todas las baterías de móviles o aparato con baterías recargables.

Su valor es muy alto, por lo que controlar su producción es un negocio rentable para gobiernos, distribuidores y fabricantes. Sin embargo a la República Democrática del Congo le ha traído muchos problemas.

El acero

Aleación de hierro con carbono. Es un material muy versátil. La aleación con otros metales cambia algunas de las propiedades del acero y

permite ajustarlas al uso concreto que se le quiera dar.

Aleación con % carbono

Propiedades Usos Aleación con metal

Propiedades Usos

0,007-0,25 Fácil trabajar en frío

Chasis coches Molibdeno Mantiene resitrencia a altas Tª

Herramientas corte y preforación

0,25-0,50 Resistente al desgaste

Ejes, engranajes

Cobalto Magnetizable Imanes

0,85-1,2 Fuerte y resitente al desgaste

Rasíles instrumentos de cortes

Niquel y cromo Resitente y duro

Cruces líneas ferroviarias

2,5-3,8 Fácil de moldear, quebradizo

Pistones y ciilindros

Tugsteno Pto Fusión muy alto

Instrumentos corte y perforación

Vanadio Fuerte, duro Herramientas

Los plásticos• La plasticidad es una propiedad de los

materiales que permite que se les dé fácilmente la forma que convenga.

• Los plásticos se obtienen artificialmente a partir de pequeñas moléculas denominadas monómeros (iguales o distintos) que se van uniendo en un gran número para formar moléculas mucho mas complejas (polímeros) mediante un proceso denominado polimerización.

El papel

Es un material básico en la actualidad.

Futuro: Tinta electrónica y papel electrónico.

Problemas asociados SolucionesDeforestación:

3 millones de m3 de madera por año en España

-Plantación y Tala controlada,

-- Uso de materias primas diferentes( cáñamo, lino o algodón)

- Reutilización fibras de papel usado.

Agua gastada35 m3/Tm de cartón

200m3/Tm papel escritura

Ciclos cerrados de agua

Contaminación ríos (Azufre, Cloro, Ozono para el blanqueado)

Energía

4% de la energía generada en España

Reciclar papel consume menos.

NANOCIENCIA

NANOCIENCIA

• Disciplina que estudia todos los aspectos científicos a tamaño nanométrico.

• (1 nanómetro (nm) = 10-9 m)

• Con los microscopios de efecto túnel podemos “ver” y “coger” los átomos para fabricar sustancias y piezas de tamaño atómico (más pequeños que las células).

El carbono es el elemento más importante de nuestra existencia, es muy abundante en la naturaleza y hemos aprendido a elaborar un buen número de objetos de uso cotidiano en deportes, medicina, construcción de puentes y aviones... (diamante, grafito, fibra de carbono).

A nivel nanoscópico ya se ha obtenido el fulereno (C60 ) en forma de balón de fútbol que podría contener las dosis de un determinado medicamento que soltaría en las proximidades de las células infectadas.

También se le puede dar forma de tubo (nanotubos). Hasta ahora se ha conseguido una longitud de18 mm. Estos se pueden convertir en nanocables si se combinan con un conductor (Boro) o nanointerruptores con un semiconductor.

El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en un patrón regular hexagonal similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor. Es muy ligero, una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan sólo 0,77 miligramos.El Premio Nobel de Física de 2010 se le otorgó a Andre Geim y a Konstantin Novoselov por sus revolucionarios descubrimientos acerca del material bidimensional grafeno.

El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en un patrón regular hexagonal similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor. Es muy ligero, una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan sólo 0,77 miligramos.El Premio Nobel de Física de 2010 se le otorgó a Andre Geim y a Konstantin Novoselov por sus revolucionarios descubrimientos acerca del material bidimensional grafeno.

GRAFENO: EL MATERIAL DEL FUTURO

NANOTECNOLOGIA• Ciencia aplicada dirigida al diseño, fabricación y aplicación de materiales

y aparatos a escala nanométrica.• Podremos fabricar máquinas de tamaño microscópico.• Podremos diseñar nuevos materiales que se comportarán de una

determinada manera únicamente en una situación concreta.

• Estamos en los inicios pero dentro de 5 a 15 años se espera una gran explosión, lo que supondrá: una transformación de los sistemas de producción, aceleración de la producción, afectará a todas las industrias, materias primas más baratas y mínimización de costes de producción, una transformación global.

PRIMEROS PASOS • Aplicaciones Eléctricas.

* Batería flexible de nanotubos de carbono. Mezclando nanotubos con papel. Baterías de papel enrollables que no se pegan.

* LED. Sustituto de bombillas: más duraderas, eficaces, menor consumo y más rápidas.

• Aplicaciones electrónicas* Nanochips de unos 500 nm (0,0005).

• Aplicaciones medicina y farmacia* Investigación con medicamentos en el interior de los fulerenos (buckyballs).

• Aplicaciones textiles* Fabricación de tejidos que repelen los líquidos (fibras con nanotubos) (tapicerias...)

• Aplicaciones arquitectura y urbanismo* Recubrimientos que repelen la pintura de los graffitis.* Vidrios fotocrómicos que cambian el color con la luz incidente (control Tª interior de habitaciones y protección frente a rayos UV e IR).* Cerámica: sanitarios que repelen los líquidos.