Materiales: Tipos, Propiedades, Extracción y Usos

Introducción

La aparición y el descubrimiento de nuevos materiales ha dado paso a avances científicos posteriores (por ejemplo, el refinamiento en el trabajo del vidrio permitió el desarrollo de lentes con las que se harían telescopios y microscopios). Para un buen desarrollo de la tecnología, son necesarios los avances de la ciencia. Además, la tecnología aplicada a la ciencia conlleva muchos beneficios para la sociedad, como por ejemplo: el desarrollo de los medios de detección de enfermedades, nuevas ortopedias con muy buena movilidad, medios de transporte, etc. No olvidemos que la ciencia y la tecnología también sirven de soporte económico a la sociedad, ya que es un mercado potencialmente fuerte.

Riesgos en la Producción de Materiales

Unas veces porque la extracción de las materias primas es contaminante (ejemplo: las minas a cielo abierto), otras porque lo son los procesos de transformación a los que se les somete. En ocasiones, los materiales que se utilizan son tóxicos, pero se usan debido a su utilidad (como el mercurio utilizado en termómetros, barómetros, pilas). El problema de las mareas negras que periódicamente surgen en costas cercanas a las grandes rutas mercantes por las que circulan los petroleros transportando el crudo a las distintas zonas de tratamiento y refinerías. Cada año se transportan por mar unos 2000 millones de toneladas de productos petrolíferos. Una vez que el petróleo se vierte al mar, se dispersa con rapidez y forma grandes extensiones superficiales de hidrocarburos que impiden que pase la luz del sol.

Numerosos conflictos y guerras están relacionados con el control de los recursos naturales y materiales. Como por ejemplo:

1. El petróleo: que se reconoce como el trasfondo de la Guerra del Golfo.
2. Diamantes de sangre (o diamantes de guerra): son aquellos obtenidos en una zona de guerra, mediante el uso de esclavos en África Occidental.
3. El coltán: es un superconductor con gran resistencia al calor y de significativas propiedades eléctricas. De él se extraen el tántalo y el niobio, vitales para la fabricación de microprocesadores, baterías, microcircuitos y condensadores.

Materiales Metálicos

Los metales son elementos químicos presentes en la corteza terrestre. Las aleaciones son mezclas artificiales con dos o más compuestos químicos. Se elaboran para mejorar las propiedades físicas de los componentes con el objetivo de obtener una nueva sustancia que recopile todas las necesidades para una determinada función (bronce: cobre y estaño; latón: cobre y cinc; alpaca: cobre, níquel y cinc; acero: hierro, carbono).

Propiedades de los Metales

Son los mejores conductores del calor y de la electricidad a temperatura ambiente, tienen: elevada densidad, gran ductilidad, alta maleabilidad, tenacidad elevada (resisten los golpes bruscos sin romperse) y algunos presentan propiedades magnéticas (como hierro y derivados, níquel, cobalto).

Extracción

Al conjunto de procesos de extracción y tratamiento de metales en general se le denomina metalurgia. No se suelen encontrar en estado puro (excepto el oro en pepitas y el platino, que son metales nativos). Están formando parte de minerales en yacimientos. Diferenciamos: la mena (que es el metal aprovechable) de la ganga (el resto de minerales no aprovechables). Las menas más comunes son los óxidos y los sulfuros del metal correspondiente. La explotación de los yacimientos se realiza en las instalaciones llamadas minas, que pueden ser: subterráneas o a cielo abierto. Los metales se extraen a partir de las menas correspondientes utilizando básicamente dos procesos industriales: calor y electricidad. En ambos casos, la reacción química correspondiente es una reacción de reducción:

• Por calor: se calienta el mineral que contiene al metal junto con carbono. En este proceso, el carbono desplaza al metal.
• Por electrólisis: consisten en la descomposición del compuesto químico por la acción de la electricidad.

Clasificación de los Metales

• Metales férricos: contienen hierro. Los productos elaborados a partir del hierro son los productos siderúrgicos.
• Metales no férricos: no contienen hierro. Hay: metales pesados, metales ligeros y metales preciosos.

Materiales Cerámicos

Son materiales inorgánicos formados por elementos metálicos y no metálicos que se forman por acción del calor.

Características

• Suelen ser duros y frágiles.
• Baja ductilidad y tenacidad.
• Resistencia a las altas temperaturas, por lo que son buenos aislantes del fuego.
• Gran resistencia a la corrosión y a los efectos de la erosión que causan los agentes atmosféricos.
• Alta resistencia a casi todos los agentes químicos.
• Gran poder de aislamiento térmico y también eléctrico, por lo que son aislantes del calor y de la electricidad.

Polímeros y Plásticos

Los polímeros son materiales formados por grandes moléculas (macromoléculas) que resultan de la unión repetitiva de unidades más pequeñas denominadas monómeros. Aunque se suele asociar el término polímero con plástico, existen también sustancias naturales que son polímeros:

• Polímeros naturales: (glucosa, algodón, celulosa...).
• Polímeros artificiales: son el resultado de modificaciones mediante procesos químicos de ciertos polímeros naturales (vulcanización del caucho: se usa para suelas de zapatos, parachoques, juguetes, neumáticos, preservativos, guantes).
• Polímeros sintéticos (plásticos): son los que se obtienen a partir de sustancias o materias primas que no son polímeros (en su mayor parte del petróleo). El proceso de polimerización es realizado por el hombre.

Tipos de Polímeros Sintéticos

1. Los termoplásticos: al calentarse pasan a fase líquida sin sufrir transformaciones químicas, por lo que se pueden volver a fundir para moldearlos de nuevo. Se pueden reciclar.
2. Los termoestables: en caliente tienen aspecto fluido, pero al enfriarse, las cadenas de polímeros crean una red tridimensional que da lugar a un material rígido y quebradizo que no puede volver a moldearse, aunque se caliente. Son más difíciles de trabajar y no pueden reciclarse, pero suelen ser más resistentes a temperaturas extremas y a los golpes.

Materiales Compuestos (Composites)

Es una palabra de origen inglés empleada para referirse a materiales compuestos por 2 o más materiales que tienen propiedades químicas o físicas muy diferentes, y que juntos forman una sustancia con propiedades a su vez muy diferentes a las de sus componentes por separado. La combinación de distintos materiales permite conseguir estructuras ligeras, resistentes y estables al mismo tiempo. Generalmente consisten en una fibra, resistente a la tracción, y una matriz que la cohesiona. Las matrices pueden ser: poliméricas, metálicas o cerámicas. Y los refuerzos: partículas, fibras o láminas.

Ejemplos

• Un material compuesto conocido desde antiguo es el adobe, formado por barro y paja.
• La madera es un ejemplo de composite natural.
• Los composites sintéticos: pueden emplear fibras de carbono o fibras de vidrio que poseen ligereza y resistencia a la tracción en una matriz de resinas orgánicas.

Fibra de Carbono

Este material está formado por hilos o filamentos trenzados de fibra orgánica carbonizada. Es un material muy caro, apreciado por sus propiedades mecánicas, por esto es un material muy resistente y ligero. Además, no se oxida y tiene un coeficiente de dilatación muy bajo, por lo que no altera casi sus dimensiones con la variación de temperatura.

Fibra de Vidrio

Es un material fibroso obtenido al hacer fluir vidrio fundido a través de una pieza de agujeros muy finos y, al solidificarse, tiene suficiente flexibilidad para ser usado como fibra. Tiene, por tanto, la misma composición que el vidrio. Es usada para realizar los cables de fibra óptica utilizados en el mundo de las telecomunicaciones para transmitir señales lumínicas, producidas por láser o LEDs. También se utiliza habitualmente como aislante térmico y/o acústico.