Materiales: clasificación, aplicaciones y nanotecnología

Evolución Histórica de los Materiales

La historia de la humanidad está intrínsecamente ligada al descubrimiento y uso de nuevos materiales. Desde las primeras edades:

• Edad de Piedra
• Edad del Cobre (uso de calcopirita)
• Edad del Bronce (aleación de cobre y estaño)
• Edad del Hierro (extracción de magnetita)

Hasta hitos más recientes como la Revolución Industrial del siglo XIX y la posterior Edad del Silicio, fundamental por su uso en microelectrónica.

Materiales Impulsados por Necesidades Específicas

El desarrollo de nuevos materiales surge a menudo como respuesta a necesidades concretas en diversos campos:

• Aeronáutica: Demanda de materiales ligeros y resistentes como los composites.
• Medicina: Por ejemplo, cuando los vasos sanguíneos se obstruyen, se emplea un polímero derivado del teflón para substituirlos.
• Electrónica: Búsqueda constante de sustitutos o mejoras del silicio.
• Construcción: Necesidad de materiales resistentes y buenos aislantes, como los composites.

Clasificación General de los Materiales

Metales

Caracterizados por su buena conductividad térmica y eléctrica, y su ductilidad. Los metales más empleados incluyen:

• Aluminio: Proviene de la bauxita, usado en carpintería metálica.
• Zinc
• Níquel: Forma aleaciones importantes con hierro, cobre y cromo, como el acero inoxidable.
• Litio: Utilizado en pilas alcalinas.
• Estaño: Sirve para crear aleaciones como el latón y el bronce, y materiales para soldadura.

Corrosión: Es un proceso de degradación, principalmente debido al oxígeno y ácidos, y su efecto es influido por la proximidad al mar.

Semiconductores

Materiales con conductividad eléctrica intermedia entre conductores y aislantes. Su comportamiento puede variar según las condiciones. Los superconductores son un caso especial: materiales que presentan una elevada conductividad, con resistencia y pérdida de energía cercanas a cero bajo ciertas condiciones.

Cerámicos

Presentan baja conductividad eléctrica, por lo que se utilizan frecuentemente como aislantes. Se dividen en:

• Convencionales: Barro, vidrio, etc.
• Avanzados: Fibra óptica, placas cerámicas para naves espaciales, etc.

Polímeros

Son el resultado de la unión de pequeñas moléculas orgánicas denominadas monómeros. Se clasifican en:

• Artificiales:
  • Plásticos
  • Caucho o goma natural: Se utiliza en los neumáticos de coches a través de un proceso de adición de azufre denominado vulcanización (desarrollado por Goodyear).
  • Silicona: Polímero de silicio, estable a altas temperaturas, que se emplea como impermeabilizante y en medicina (ej. implantes mamarios).
• Naturales: Como el almidón.

Composites (Materiales Compuestos)

Son materiales mixtos, diseñados para combinar propiedades deseables. Son resistentes y de bajo peso. Se emplean en carrocerías de coche y en la construcción de edificios.

Materiales Estratégicos y Avanzados

Fibra de Carbono

Es un material formado por hilos de carbono trenzados. Su resistencia es tres veces superior a la del acero y su densidad 4,5 veces menor. Es resistente y poco pesado, ideal para fabricar material deportivo, instrumentos musicales y componentes de aviones.

Coltán

Uno de los minerales estratégicos más famosos, formado por columbita y tantalita (óxido de tantalio con hierro). Es la base para la obtención del tantalio, mineral fundamental en el desarrollo de la tecnología de las comunicaciones. Se emplea en teléfonos móviles, ordenadores y la industria aeroespacial. El principal productor es Australia, aunque las mayores reservas se encuentran en el Congo.

Nanotecnología: La Frontera de los Materiales

La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nanoescala (explotando fenómenos y propiedades únicas de la materia a esta escala).

Un nanómetro (nm) es igual a 10^-9 metros.

Hitos y Herramientas

• IBM fabricó el microscopio de efecto túnel (STM).
• En 1986 se construyó el microscopio de fuerza atómica (AFM), capaz de medir fuerzas del orden de nanonewtons.

Nanoestructuras de Carbono

• Fullerenos (Buckyballs): Los premiados con el Nobel de Química en 1996 descubrieron estas esferas de carbono puro. Un fullereno es una nanoestructura compuesta por 60 átomos de carbono (C₆₀) con una forma parecida a un icosaedro truncado, muy regular y próxima a la esfera.
• Nanotubos de Carbono: Son estructuras cilíndricas de grafito. Presentan propiedades muy especiales: son las fibras más resistentes que se conocen, conducen muy bien la electricidad, son muy ligeros y más elásticos que los metales y las fibras de carbono convencionales.

Aplicaciones de la Nanotecnología

La nanotecnología tiene un impacto potencial en múltiples áreas:

• Medicina
• Electrónica e Informática
• Construcción
• Energía