Ciència dels Materials: Estructura, Tipus i Residus Tecnològics

Introducció a la Ciència dels Materials

La ciència dels materials és la branca de la ciència i l’enginyeria que estudia les relacions entre l’estructura dels materials i les seves propietats, així com les tècniques de processament i el seu comportament. És un exemple de ciència interdisciplinària, ja que per caracteritzar un material cal identificar les seves propietats físiques i químiques. També és una ciència aplicada.

Propietats Clau dels Materials

• Propietats físiques: Són les que podem mesurar o identificar sense que canviï la naturalesa del material.
• Propietats químiques: Són les que només podem identificar quan el material reacciona químicament.
• Compatibilitat biològica (Biocompatibilitat): Fa referència a si el material es pot fer servir en organismes i teixits vius.

L'Estructura dels Materials: Nivells Atòmic, Micro i Macro

Les propietats, el comportament i la forma de processar els materials depenen de la seva estructura a diferents escales. La gran varietat d’estructures atòmiques, micro i macro possibles fa que, amb un nombre limitat de constituents de l’Univers, es puguin configurar un nombre gairebé il·limitat de materials.

Classificació i Tipus de Materials

Existeix una gran diversitat de materials. Podem classificar-los segons el seu origen (naturals i artificials o sintetitzats pels humans). També es poden classificar, en funció de la seva estructura i propietats, en tres grans grups: metalls, ceràmiques i polímers. També s'identifiquen els materials compostos, formats per la combinació dels grups anteriors.

Metalls

Són elements químics que cedeixen i comparteixen electrons fàcilment (estructura interna: xarxa cristal·lina d’ions positius envoltada d’electrons lliures).

Propietats dels Metalls

• Bons conductors de la calor i l’electricitat.
• Són sòlids a temperatura ambient (excepte el mercuri).
• Alguns tenen propietats magnètiques.

Els metalls poden formar aliatges entre ells. Un aliatge és una barreja sòlida de diferents components metàl·lics (p. ex., el bronze, que és coure i estany).

Nous Materials Metàl·lics

La innovació més interessant ha estat la producció d’aliatges amb memòria de forma.

Ceràmiques

La ceràmica tradicional està composta de silicats (p. ex., terrissa, porcellana, totxanes, rajoles). Les ceràmiques tècniques estan formades d’elements metàl·lics i no metàl·lics (p. ex., components de motors, ossos i dents artificials).

Propietats de les Ceràmiques

Totes les ceràmiques tenen en comú que són materials refractaris, inorgànics i no metàl·lics. Es caracteritzen per:

• Baixa conductivitat tèrmica i elèctrica (excepte les ceràmiques semiconductores o superconductores).
• Duresa alta.
• Gran resistència a la corrosió.

Nous Materials Ceràmics

Les ceràmiques intel·ligents es fan servir com a sensors i actuadors.

Polímers

Els polímers estan formats per molècules molt grans, generalment d’origen orgànic, en les quals es repeteix una unitat estructural anomenada monòmer. Poden ser d’origen natural (seda, cautxú, goma de laca) o d’origen sintètic (plàstic).

Propietats dels Polímers

• Resistència mecànica.
• Grau d’elasticitat.
• Baixa conductivitat elèctrica i tèrmica.

Biomaterials

Els biomaterials són els materials que han de ser compatibles amb teixits o organismes vius (p. ex., metalls o ceràmiques biocompatibles utilitzats en implants).

Materials per a un Món Més Eficient i Global

Fibra de Carboni

La fibra de carboni és un material compost, fabricat a partir d’una matriu de polímer (resina epoxi) reforçada amb fibres de carboni.

Característiques de la Fibra de Carboni

• Bona resistència i lleugeresa.
• Força elasticitat.
• Aïllant tèrmic i propietats ignífugues.
• Alt cost de fabricació.

Fibres Òptiques

Estan fetes generalment de vidre, tot i que també n’hi ha de plàstic. S’obtenen fent fluir vidre fos per una malla amb forats molt prims, per formar filaments que, un cop solidificats, mantenen una elasticitat suficient.

Avantatges de les Fibres Òptiques

• Bon aïllament elèctric i tèrmic.
• Suport d’altes temperatures.
• Transparència.
• Baix cost i abundància.

Díodes Làser i LED

Els LED (Díodes Emissors de Llum) són dispositius ceràmics semiconductors que emeten llum quan se’ls connecta un corrent elèctric en la direcció correcta.

Avantatges dels LED

• Petits.
• Baix consum.
• Reemplaçables.
• Barats i duradors.

La Nanotecnologia

La nanotecnologia és la part de la ciència dels materials que estudia i manipula la matèria a escala entre l’atòmica i la molecular.

L'Escala Nano i la Nova Física

Els objectes són molt difícils de manipular a escala nano perquè les lleis de la física i la química canvien. Els efectes quàntics ja no poden ser menyspreats: la matèria es comporta de forma dual (com a ona i partícula), l’energia està quantificada i existeix incertesa.

Nous Instruments i Aplicacions

Els instruments que permeten “explorar” i manipular a escala nano, com el microscopi de força atòmica, són essencials. La nanotecnologia té com a objectiu dissenyar productes i materials amb característiques físiques i químiques “a la carta”.

Els Materials dels Telèfons Mòbils

Un model normal de mòbil pot utilitzar uns 500 components diferents. La seva composició mitjana és:

• 56% Polímers: Plàstic de les carcasses.
• 25% Metalls: De bateries i components, com zinc, níquel, coure, tàntal, niobi, liti i cadmi.
• 19% Materials Ceràmics: Vidres i altres components.

Plàstics de Carcasses i Pantalles

Els plàstics utilitzats, com els ABS, ofereixen una alta resistència als impactes, rigidesa, duresa i una baixa absorció d’humitat. Els cristalls líquids de les pantalles són molècules de polímers que s’orienten de forma ordenada.

Escassetat de Components

La disminució del cicle d’ús d’un telèfon mòbil va més ràpid que la del cicle de fabricació dels aparells, generant escassetat de components. El tàntal és un metall crucial que s’extreu del coltan.

Metalls de les Bateries

Una bateria emmagatzema energia química i la converteix en energia elèctrica quan es connecta a un aparell, i a l’inrevés. Quan l’aparell funciona, té lloc el procés químic i consumeix energia. Quan el procés ha esgotat els reactius, la bateria s’ha descarregat.

Problemes del Consum de Bateries

• Esgotament progressiu de les matèries primeres.
• Toxicitat dels seus components.

Metalls Pesants Bioacumulables

Els components de les bateries sovint estan fets amb metalls pesants que són bioacumulables:

Cadmi

S’acumula als ronyons. Pot produir hipertensió arterial i arteriosclerosi.

Mercuri

La intoxicació pot produir fatiga, anorèxia, dolors gastrointestinals, trastorns visuals i tremolors. A la llarga, pot provocar trastorns psíquics, insomni, pèrdua de memòria, depressió i, fins i tot, la mort.

Plom

Pot provocar fatiga, mal de cap, dolor muscular, espasmes abdominals i hipertensió.

Liti

És un metall que afavoreix la millora de l’eficàcia de les bateries. S’utilitza per al tractament de depressions, però en una persona sana genera ansietat i hiperactivitat. Un material encara més eficient és l’argirodita (plata, germani i sofre).

Gestió de Residus Tecnològics

Antigament, quan la població no era tan nombrosa, el tractament habitual dels residus era la recollida i l’acumulació en abocadors, confiant en l’acció dels microorganismes i elements naturals per a la seva destrucció. L’estructura econòmica i els hàbits socials promovien la reutilització (p. ex., mercats de segona mà i drapaires). Actualment, la tecnologia ha generat dificultats, ja que la natura no és capaç de trencar per ella mateixa el cicle de producció perquè hi ha molts residus que són contaminants o de difícil degradació.

Gestió Sense Recuperació: Incineradores i Abocadors

Els materials no reciclables es poden aprofitar com a combustibles per produir energia en plantes d’incineració. Quan es duu a terme aquest tractament es parla de revalorització energètica.

La Gestió Responsable: Els Principis i les Quatre R

Principis de Gestió de Residus

• Principi de prevenció: El residu que no es produeix no s’ha d’eliminar.
• Principi de “qui contamina paga”.
• Principi de precaució: Previsió dels problemes generats per l’ús de determinats materials.
• Principi de proximitat: Estableix que cal eliminar els residus en el lloc d’origen.

Les Quatre R

1. Reducció
2. Reutilització
3. Reciclatge
4. Recuperació energètica

Com es Recicla un Mòbil

La recuperació dels materials d’un mòbil inclou les següents fases:

• La recollida dels mòbils als contenidors.
• El transport dels contenidors a les plantes de tractament.
• La separació dels components.
• El reciclatge a través del procés industrial de trituració.