NUEVOS MATERIALES

Alejandro Ruiz, Carla Garnés, Iris Morgan, Laura Chamberlain y Jose Javier Pérez.

ÍNDICE Cerámicas avanzadas Nuevas aleaciones Materiales biológicos Nanotecnología Impactos ambientales

¿Qué son los materiales ceramicos ?Los materiales cerámicos son sólidos inorgánicos no metálicos producidos mediante tratamiento térmicos con grandes propiedades aislantes 

Tipos • Ladrillos y tejas• Material refractario• Alfarería • Vidrio • Cemento ( hormigón )

Usos de los mat.cerámicos

Elaboración de recipientes

En la construcción como baldosas, ladrillos..

Industria eléctrica y magnética como imanes para bobinas

Otros: ingredientes de cosméticos, impresoras, relojes, aislantes eléctricos…

¿Qué son los materiales cerámicos avanzados ?Son materiales no tradicionales formados a partir de procesos químicos con reactivos de alta pureza o minerales naturales y presentan resistencia a esfuerzos mecánicos, a altas temperaturas, corrosión…Muchos de estos empiezan en forma de polvo que se mezcla con un lubricante para mejorar su composición. Tras la mezcla se prensan para darles forma y para que se desarrolle su microestructura y las propiedades requeridas.

Características:

1. Alto grado de dureza2. Resistencia a altas temperatura3. Bajo peso4. Conducción rápida de iones5. Resistencia a la corrosión6. Alto punto de fusión 7. Transparencia óptica

NITRURO DE SILICIO:Fórmula molecular Si3N4.

Preparado por una reacción de silicio en polvo con nitrógeno a altas temperaturas

Se utiliza como herramienta de corte, para piezas de turbinas de gas, como pieza de motores diesel, rodillo de imprenta,..

ALÚMINA:Fórmula molecular: Al2O3Se obtiene de la bauxita

Se utiliza como abrasivo, en prótesis dentales, aislante eléctrico en las bujías de vehículos de gasolina, aislante

térmico y eléctrico,..

CARBURO DE SILCIO o CARBORUNDOFórmula molecular: Sic

Se obtiene de arenas o cuarzo de alta fusionados a altas temperaturas

Utilizado en radiofrecuencias , microondas , diodos , transistores,…

ÓXIDO DE URANIO o TORTA AMARILLAFórmula molecular: U3O8

Se obtiene de la pulverización del uranio y una vez que este esta pulverizado se baña en ácido sulfúrico.

Se usa para preparar el combustible de reactores nucleares, para obtener plutonio,…

PROPIEDADES MATERIALES USOS

Aislantes Alúmina, Carburos Sustratos de circuitos de instalaciones eléctricas

Ópticas Alúmina, Magnesio Lámpara de vapor de sodio , tubos luminosos

Magnéticas Ferritas, Óxido de bario y magnesio

Almacenamiento de datos

Biológicas Alúmina, Apatitas Dientes y huesos artificiales

Anticorrosión Alúmina, Circonia Reactores de alta temperatura

Sensor de humedad Óxido de titanio Elementos de control en hornos microondas

DEFINICIÓN DE ALEACIÓN.Una aleación es una combinación, de

propiedades metálicas, que está compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal. Las aleaciones están constituidas por elementos metálicos como Fe (hierro), Al (aluminio), Cu (cobre), Pb (plomo), ejemplos concretos de una amplia gama de metales que se pueden alear. El elemento aleante puede ser no metálico, como: P (fósforo), C (carbono), Si (silicio), S (azufre), As (arsénico).

CLASIFICACIÓN.

Por su composición Tiene en cuenta el elemento que se halla en mayor

proporción (aleaciones férricas aleaciones base cobre, etc.) Cuando los aleantes no tienen carácter metálico suelen hallarse en muy pequeña proporción, mientras que si únicamente se mezclan metales, los aleantes pueden aparecer en proporciones similares.

Por el número de elementos Se pueden distinguir aleaciones binarias como el

cuproníquel, ternarias (alpaca)... Hay aleaciones en las que intervienen un elevado número de elementos químicos, si bien en pequeñas cantidades.

Por su peso Las aleaciones ligeras contienen como elemento principal

el aluminio o el magnesio.

PROPIEDADES.

Las aleaciones presentan brillo metálico y alta conductibilidad eléctrica y térmica, aunque usualmente menor que los metales puros. Las propiedades físicas y químicas son, en general, similares a la de los metales, sin embargo las propiedades mecánicas tales como dureza, ductilidad, tenacidad etc. pueden ser muy diferentes, de ahí el interés que despiertan estos materiales, que pueden tener los componentes de forma aislada.

Las aleaciones no tienen una temperatura de fusión única, dependiendo de la concentración, cada metal puro funde a una temperatura, coexistiendo simultáneamente la fase líquida y fase sólida.

Nuevas aleaciones.El empleo de nuevas aleaciones metálicas

nanoestructuradas creadas por científicos de Rutgers University de alta resistencia podría desembocar en el desarrollo de dispositivos electrónicos más diminutos y sensibles.

Algunas de las aplicaciones de estas nuevas aleaciones metálicas nanoestructuradas de gran resistencia podrían ser los stents empleados para tratar patologías en las arterias coronarias, micrófonos de máxima sensibilidad, altavoces de gran alcance…

Estos metales con nanopartículas incorporadas pueden ser muy elásticos y con una buena capacidad para convertir la energía eléctrica y magnética en movimiento.

NANOPARTÍCULAS.

Biomateriales•¿Qué son?Un biomaterial sería un material diseñado para actuar con sistemas biológicos con el fin de evaluar, tratar, aumentar o reemplazar algún tejido, órgano o función del cuerpo.Los biomateriales están destinados a la fabricación de componentes, piezas o aparatos y sistemas médicos para su aplicación en seres vivos y deben ser biocompatibles.-Bioinertes a los que tienen una influencia nula o muy pequeña en los tejidos vivos que los rodean.-Bioactivos los que pueden enlazarse a los tejidos óseos vivos. Los biomateriales pueden ser:-De origen artificial, (metales, cerámicas, polímeros) -De origen biológico (colágeno, quitina, etc.).

Requisitos que tienen que cumplir los biomateriales.- La Biocompatibilidad es la habilidad de un material para ser aceptado por el cuerpo delpaciente y que, además, no irrite a los tejidos circundantes, no provoque una respuestainflamatoria, no produzca reacciones alérgicas y que no tenga efectos carcinogenéticos,o sea, que no produzca cáncer.- Biofuncionalidad: capacidad de desempeñar la función para

la que han sido creados. -Propiedades mecánicas (durabilidad) - Densidad y peso adecuados. - Diseño adecuado y adaptabilidad.- Bioactividad:- Integracion con moléculas biológicas.- Regeneracion de tejidos- Capacidad de responder a señales provenientes del medio

induciendo a una respuesta espécifica del tejido biológico circundante

Biomateriales metálicos:Los biomateriales metálicos son hierro,cromo, niquel, titanio y molibdeno; ya que son los únicos tolerados por el cuerpo en pequeñas cantidades.También se usa: acero inoxidable, aleaciones de cromo-cobalto y aleaciones de titanio.

Acero inoxidable

Es una aleación de hierro y carbono. No se oxida.Un problema que produce es la corrosión en zonas anexas a tornillos.Se usa en prótesis.

Aleaciones de cromo cobalto.

Con técnica de cera perdida se usa para: prótesis dentales y articulares.Con técnica de forja se usa para: vástagos de prótasis de rodilla y cadera.

Aleaciones de titanio.

Hay 4 tipos de titanio, dependiendo de las impurezas. Cuanto mayor grado de impureza mayor resistencia y menor ductibilidad.Tiene poca resistencia a esfuerzos cortantes.

BIOMATERIALES CERÁMICOS.Constituidos por compuestos inorgánicos no metálicos, como los silicatos, oxidos metálicos, carburos e hidruros, los vidrios y los cementos. Pueden ser:Estructurales: tienen elevada resistencia mecánica y generalmente son bioinertes.No estructurales, suelen ser bioactivas o reabsorbibles, densas o porosas, y con poca resistencia mecánica ya que no soportan grandes cargas.Aplicaciones: prótesis de cadera, dientes cerámicos, dispositivos trascutáneos, válvulas de corazón.

VENTAJAS: Desventajas:

-Buena compatibilidad con el sistema muscoesqueleto-Resistencia a la corrosión.-Inerte a los tejidos y adherente a los mismos.-Alta resistencia a la compresión y al desgaste

-Baja resistencia a la tensión, corte, impacto.-Díficil fabricación-Falta de elasticidad y resistencia mecánica.-Alta densidad

Polímeros naturales, como  las Proteínas, los Ácidos nucleicos, los Polisacáridos (Celulosa y la Quitina), el Hule o Caucho natural, la Lignina.Polímeros sintéticos, como el Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (UHMWPE), el Policloruro de vinilo(PVC), Nylon, Silicona, Poliestireno, etc.-Los polímeros pueden ser permanentes (remplazan totalmente o parcialmente los tejidos) o de carácter temporal (son degradables por lo que tienen una durabilidad específica)Aplicaciones: prótesis faciales, partes de prótesis de oído, aplicaciones dentales; marcapasos, riñones, hígado y pulmones, bolsas de almacenamiento y empaquetamiento quirúrgico de sangre y otras soluciones; partes de esófago, segmentos de arterias, suturas biodegradables, partes de implantes articulares en dedos, acetábulo de cadera y rodilla, entre otros. 

Polietileno (PE)

Implantes ortopédicos, termómetros, bolsas de aire.

Polipropileno (PP)

Protesis en tendones de los dedos, injertos, membranas de oxigenado de sangre…

Polimetilmetacrilato

Mambranas para diálisis de sangre, implantes oculares, protesis maxilofaciales, dentaduras

Poliestireno (PS) Dializadores de sangre, botes de vacio…

Poliester (PET) Injertos vasculares artificiales, suturas y mallas, válvulas de retención, catéteres.

Aplicación Material frecuentemente empleado

Sistema óseoReemplazo de articulacionesCemento para huesosLigamentos y tendones artificialesImplantes dentales

Aleaciones de titanio, acero inoxidable, polietilenoPolimetilmetacrilatoTeflón, DacrónTitanio, alúmina, fosfato de calcio

Sistema cardiovascularPrótesis vasculares Válvulas de corazónCatéter

Dacrón, Teflón, poliuretanoTejido reprocesado, acero inoxidable, DacrónGoma de silicona, Teflón, poliuretano

ÓrganosCorazón artificialPlacas para reparación de la pielRiñón artificial (hemodiálisis)Respiradores artificiales

PoliuretanoMateriales compuestos de silicona-colágenoCelulosa, poliacrilonitriloGoma de silicona

SentidosLentes intraoculares Polimetilmetacrilato, goma de

silicona

EL desarrollo de las nuevas disciplinas de la ciencia e ingeniería de materiales sucedió en la década del cincuenta, con procedimientos empíricos para adaptar materiales convencionales a aplicaciones biomédicas. 

El uso de materiales no biológicos en medicina es anterior a la década del cincuenta. Sus antecedentes se remontan al siglo XXX a.C., en Egipto. También durante las civilizaciones clásicas de Grecia y Roma se usaron materiales no biológicos para el tratamiento de heridas y de algunas enfermedades.

En la Europa del siglo XVI se empleó el oro y la plata para la reparación dental e hilos de hierro para la inmovilización de fracturas óseas. 

La aplicación de biomateriales no metálicos comenzó en la Edad Media, fueron utilizados en ligaduras para detener hemorragias y en procedimientos quirúrgicos.

Las biocerámicas se introducen en la década del setenta, por los fracasos en los biomateriales utilizados hasta ese momento. 

Consideración histórica.

Aunque la nanotecnología es relativamente reciente como tema de investigación científica, el desarrollo de varios conceptos centrales ha ocurrido a través de un periodo de tiempo largo. El surgimiento de la nanotecnología en la década de 1980 fue causado por la convergencia de varios avances e invenciones experimentales tales como el microscopio de efecto túnel en 1981 y el descubrimiento del fullereno , que es la forma más estable del carbono después del diamante y el grafito ,en 1985, así como la formulación y popularización del marco conceptual sobre las metas de la nanotecnología.Los científicos que iniciaron este proceso que llevó a la aprición de la nanotecnología son : Richard FeynmanK. Eric Drexler;quien popularizó el término de nanotecnología en inicio el campo de la nanotecnología molecular.Norio Taniguchi

Además sin la ayuda de muchos de los países ricos del mundo sobretodo Estados Unidos , la nanotecnología habría tardado mucho más tiempo en conocerse y en desorrallarse. La Iniciativa Nacional en Nanotecnología (INN) es un programa federal de investigación y desarrollo del gobierno de los Estados Unidos de América.Sus metas son desarrollar un programa de investigación y desarrollo en nanotecnología de clase mundial, fomentar la transferencia de nuevas tecnologías en productos comerciales de beneficio público y crear herramientas de apoyo para avanzar en el área, así como soportar el desarrollo responsable de la misma.

1.¿Qué es la nanotecnología?

La nanotecnología es un campo de las ciencias aplicadas dedicado al control y manipulación de la materia a una escala menor que un micrómetro, es decir, a nivel de átomos y moléculas (nanomateriales). Lo más habitual es que tal manipulación se produzca en un rango de entre uno y cien nanómetros. La nanotecnología comprende el estudio, diseño, síntesis, manipulación y aplicación de materiales y sistemas funcionales a través del control de la materia, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nanoescala.

Los científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas. Por tanto el principal propósito de la nanotecnología es lograr que los costes no excedan , ampliamente, el coste de las materias primas y la energía empleada en los procesos y conseguir nuevos procesos que mejoren nuestra calidad de vida.

La nanotecnología se está adquiriendo tal importancia a lo largo de estos años que una gran parte de los países ricos del mundo están invirtiendo grandes cantidades de dinero en ella , para ayudar en las investigaciones de este ámbito.

Diferentes disciplinas profesionales utilizan cada vez más este tipo de materiales como:

QuímicaBioquímicaElectrónicaInformáticaMedicina

2.Diferentes usos de la nanotecnología:

Biología molecular: Hoy en día mucho agua se desperdicia porque es casi, pero no cien por cien, puro. Tecnologías de tratamiento eléctrico mecánicos sencillas y fiables pueden recuperar agua contaminada para uso del sector agrícola o incluso para el uso doméstico. Filtros físicos con poros de una escala nanométrica pueden eliminar el 100% de bacterias, virus y partículas extrañas. Una tecnología de separación eléctrica que atrae a los iones pueden eliminar sales y metales pesados.

La capacidad de reciclar el agua de cualquier fuente para cualquier uso podría ahorrar enormes cantidades de agua y permitir el uso de recursos de agua hasta ahora no aprovechables. Si se adoptasen estos pasos, se podría reducir en enfermedades relacionadas con el agua que suponen la causa de la muerte de miles, tal vez decenas de miles de niños cada día.

Industria: Tejidos fabricados por procesos nanotecnológicos repelentes a la suciedad y el agua y por tanto fáciles de limpiar y sin sufrir apenas degradación.

Nanotecnología industrial.(Repelente a las manchas y al agua.)

Relacionada a la ingeniería genética: Siguiendo la tendencia que se potenció con la ingeniería genética, de control corporativo desde la semilla hasta el producto en el supermercado, la agricultura nanotecnológica controlaría incluso los átomos que componen esos productos. Todas las corporaciones que dominan el negocio mundial de los transgénicos están invirtiendo en nanotecnología.

Energías: La nanotecnología puede ayudar también en la reducción del consumo energético, al proveer de nanocomponentes que facilitan el aislamiento térmico. Además, la búsqueda de nuevas fuentes energéticas ha visto en la nanotecnología a uno de sus grandes aliados. Las placas solares también podrían verse favorecidas por estos procedimientos.

Medicina: Reparación de tejidos, control de la evolución de las enfermedades, defensa y mejora de los sistema biológicos humanos; diagnóstico, tratamiento y prevención,administración de medicamentos a las células, etc.   Por ejemplo, los pacientes diabéticos podrían verse favorecidos al recibir insulina encapsulada en células artificiales, que la dejen salir cuando aumente la glucosa en la sangre.

3.Ventajas y desventajas de la nanotecnología.

Las ventajas de la nanotecnología son todas las anteriormente comentadas y muchas más en diferentes disciplinas.

Dentro de las desventajas a tener en cuenta se incluyen:

1. Importantes cambios en la estructura de la sociedad y el sistema político.

2. La potencia de la nanotecnología podría ser la causa de una nueva carrera de armamentos entre dos países competidores

3. La producción poco costosa y la duplicidad de diseños podría llevar a grandes cambios en la economía.

4. La sobre explotación de productos baratos podría causar importantes daños al medio ambiente.