Fundamentos de Materiales: Composición, Propiedades y Aplicaciones

Organización de la Materia

Tabla Periódica

El conocimiento acumulado está resumido en la Tabla Periódica de los elementos. Fue creada por Dimitri Mendeléyev, quien la publicó en 1869, ordenando todos los elementos y dejando espacios para otros elementos que se descubrirían más tarde.

La Complejidad de la Estructura

La materia se organiza en diferentes niveles de complejidad:

• Elementos Químicos

  Es lo que compone la materia. Se conocían 116 en 2008 y 90 son naturales.

• Compuestos Químicos

  Es una sustancia que no puede separarse en sus componentes por procedimientos físicos.

• Mezclas de Materiales y Aleaciones

  Son mezclas realizadas artificialmente con dos o más elementos o compuestos químicos. Se elaboran para formar sustancias nuevas adecuadas a determinadas funciones. Las aleaciones son un tipo común de mezcla de materiales, generalmente metales.

• Composites

  Compuestos formados por dos o más materiales que tienen propiedades químicas o físicas muy diferentes. Forman una sustancia con propiedades muy diferentes a las de sus componentes por separado.

Obtención de Materiales

Los materiales se pueden obtener de diversas formas:

• Materiales Naturales

  Materiales que se encuentran directamente en la naturaleza, como la madera, el granito, etc.

• Materiales Transformados

  Obtenidos transformando algún material natural o varios, como el papel, el cemento, etc.

• Materiales Artificiales o Sintéticos

  Obtenidos a través de procesos químicos o físicos, como los plásticos, las fibras artificiales, etc.

• Materiales Reciclados

  Obtenidos a partir del mismo material ya utilizado, como el vidrio, el papel, etc.

Propiedades de los Materiales

Los materiales presentan diversas propiedades que determinan su comportamiento y uso:

• Densidad
• Dureza
• Tenacidad
• Ductilidad
• Fragilidad
• Maleabilidad
• Resistencia a las fuerzas de compresión, tracción, torsión, flexión
• Elasticidad
• Plasticidad
• Temperatura de fusión
• Conductividad térmica
• Capacidad de dilatación
• Calor específico
• Conductividad eléctrica
• Comportamiento magnético
• Resistencia a la corrosión
• Conductividad del sonido
• Color
• Transparencia
• Reflectividad
• Índice de refracción
• Brillo
• Fluorescencia
• Capacidad de polarización de la luz

La Materia Prima y Minerales

• Materia Prima

  Materiales extraídos de la naturaleza para fabricar productos. Los metales no están en estado puro en la naturaleza, sino que se obtienen de los minerales.

• Mineral

  Es una sustancia sólida compuesta que se da naturalmente en la corteza terrestre. En su composición hay un metal y un no metal.

• Mena

  Es un mineral que contiene cantidades suficientes de metal con interés económico.

Los minerales son un recurso limitado, no renovable. Algunos metales se obtienen reciclando y refinándolos.

Los sistemas de extracción de metales son el calor o la electricidad, pero los dos se realizan a través de una reacción química llamada reducción, en la que se obtiene el metal puro.

El Coltán

En África, esta palabra se refiere a la columbita y a la tantalita, dos minerales con mucha importancia relacionados con la industria electrónica.

• Niobio

  Se utiliza en la fabricación de imanes de alto poder magnético y es clave en los micromotores.

• Tántalo

  Se emplea en la fabricación de condensadores y está presente en todas las baterías.

Plasticidad

La plasticidad es una propiedad de los materiales que permite que se les dé fácilmente la forma que más convenga.

El Papel

Su origen proviene de la planta Cyperus papyrus. La clave de la fabricación de papel está en la obtención de la celulosa.

Problemas asociados a la fabricación de papel:

• Deforestación
• Enorme cantidad de agua
• Contaminación de ríos
• Consumo de energía

Soluciones a los problemas:

• Deforestación: Tala controlada.
• Consumo de agua: Usar ciclos cerrados de agua.
• Consumo de energía: Se usa menos energía si se recicla papel.

En el futuro, la solución podría ser la aparición de materiales como la tinta electrónica y el papel electrónico.

Nanotecnología

Nanociencia y Nanotecnología

La nanotecnología está basada en el desarrollo científico en torno a materiales. El estudio de todos los aspectos científicos a tamaño nanométrico se llama nanociencia.

La nanotecnología es una ciencia aplicada que se dirige al diseño, la fabricación y la aplicación de materiales y aparatos a escalas nanométricas (10^-9 m).

Aplicaciones de la Nanotecnología

La nanotecnología tiene aplicaciones a nuestro alrededor:

• Aplicaciones eléctricas: Baterías flexibles con nanotubos de carbono y LEDs.
• Aplicaciones en la electrónica: Nanochips.
• Aplicaciones en medicina y farmacia.
• Aplicaciones en la industria textil.
• Aplicaciones en arquitectura y urbanismo: Recubrimientos, vidrios fotocrómicos y cerámica.