Materials del llautó

Enviado por Programa Chuletas y clasificado en Tecnología Industrial

Escrito el en catalán con un tamaño de 7,9 KB

 

La ciència dels materials

Els nous materials tenen un gran impacte en la millora de la qualitat de vida, però hi ha molts aspectes que cal tenir en compte: fins a quin punt els podem dissenyar, amb quins costos, beneficis, etc. La ciència que estudia això s’anomena ciència dels materials.

Els materials han estat relacionats amb el desenvolupament econòmic i social. Per exemple, la prehistòria es va dividir segons els metalls. La nostra època s’anomena “era del silici o del plàstic”. El coneixement de les propietats dels materials s’ha originat en l’artesania, la mineria... Actualment la recerca es fa des de la ciència i l’enginyeria. 

La ciència dels materials estudia les seves propietats, les tècniques de processament i el seu comportament. És interdisciplinària perquè per caracteritzar un material necessitem saber les seves propietats físiques (s’identifiquen sense que canviï la naturalesa del material: densitat, conductivitat, etc.), químiques (quan canvia la seva naturalesa: oxidació, pH...) i biològiques. És una ciència aplicada perquè el objectiu també es aconseguir processar o dissenyar uns materials amb un cost econòmic i ambiental sostenible.

L’estructura: els nivells atòmic, micro i macro

Les propietats depenen de la seva estructura. Hi ha l’atòmica (àtoms i molècules i quins tipus d’interaccions tenen entre sí i quina organització). També hi ha la microestructura (si està format per fibres, tubs, làmines o porus) i la macroestructura (parts visibles).

El comportament del material no és igual a la suma dels comportaments dels seus components. Els defectes juguen un paper molt important. Per exemple, els cristalls perfectes són impossibles de produir i les propietats més interessants provenen de defectes, com ara els elements intersticials (àtoms en mig d’una xarxa), vacants i substitucions. Molts materials són amorfs i dificulta el seu disseny.

Tipus de materials

Podem classificar els materials segons el seu origen: naturals i artificials. També segons la seva estructura i propietats en metalls, ceràmiques i polímers.

Els metalls

Són elements químics electropositius (cedeixen electrons fàcilment). Xarxa cristal·lina d’ions positius envoltada d’electrons lliures que es cedeixen a elements electronegatius (enllaç iònic) o es comparteixen entre metalls (enllaç metàl·lic).

Són bons conductors de l’electricitat i la calor, densitat alta, sòlids i punt de fusió alt. Reflecteixen la llum (brillen) i són durs, dúctils i mal·leables. Alguns són magnètics. Els metalls poden formar aliatges, barreges sòlides de diferents components metàl·lics. Així es poden modificar les propietats. El primer va ser el bronze (coure i estany, inici de la metal·lúrgia).

Nous materials metàl·lics

Un factor important ha estat la producció d’aliatges amb memòria de forma.  Després de ser deformats tenen la capacitat de recordar la forma original, ja que les deformacions són desplaçaments de la xarxa cristal·lina.

Ceràmiques

És difícil de caracteritzar-los. La ceràmica tradicional està composta de silicats i s’utilitza en l’artesania i la construcció. Les ceràmiques tècniques o avançadés estan formades per elements metàl·lics i no metàl·lics formant òxids, carburs, nitrats i borats. Usos: recobriment de transbordadors espacials, components de motors, ossos artificials, electrònica, imants, fibres, sensors...

Són materials refractaris, inorgànics i no metàl·lics. Són cristal·lines a excepció dels vidres. Baixa conductivitat tèrmica i elèctrica (tot i que n’hi ha de semiconductores): Duresa alta, fràgils i resistents a la corrosió.

Nous materials ceràmics

Les ceràmiques intel·ligents es fan servir en sensors i actuadors com vidres electrocròmics que canvien de color amb la calor o sensors piezoelèctrics. Els objectius són les membranes ceràmiques hiperfiltradores de líquids o gasos a escala molecular. També s’està recercant ceràmiques superdures.

Polímers

Formats per molècules molt grans generalment d’origen orgànic, on es repeteix una unitat anomenada monòmer (unides per enllaços covalents). Encara que s’associen als plàstics hi ha alguns naturals, com el DNA o les proteïnes. Alguns són d’origen natural (seda, cautxú) o sintètic, formant part de teixits i envasos.

Tenen molta resistència mecànica (suportar la tensió abans de trencar-se) i el grau d’elasticitat. Varien segons el tipus del seu enllaç. Baixa conductivitat elèctrica i tèrmica a causa dels enllaços covalents (els electrons estan atrapats).

Biomaterials

Ha aportat un nou ventall de materials amb propietats avançadés en l’àmbit de la vida. Han de ser compatibles amb teixits o organismes vius ja que hi ha d’interactuar. Hi ha molts materials que es fan servir en aplicacions mèdiques, com el titani.

Materials per a un món més eficient

La fibra de carboni

És un material conegut per la combinació de resistència i lleugeresa. Ha ajudat a reduir el consum de combustible. La fibra de carboni és un material compost, fabricat a partir d’una matriu de polímer reforçada amb fibres de carboni (feta de milers de filaments), formant un teixit d’alta resistència, lleugeresa i elàstica. També és un bon aïllant tèrmic i té propietats ignífugues. Això sí, té un alt cost de fabricació.

Materials per a un món més global

Sense la fibra òptica i els díodes semiconductors Internet no hauria estat possible.

Les fibres òptiques

Estan fetes de vidre i de plàstic. S’obtenen al fundir vidre per una malla amb forats molt prims. Les seves propietats són les del vidre: aïllament tèrmic i elèctric, suport d’altres temperatures i transparència, baix cost i abundància.

Condueixen la llum sense quasi atenuació i en trajectòries corbes, utilitzant la reflexió total. Els cables de fibra òptica transmeten molta més informació que els de coure i són més lleugeres, flexibles, barates i no s’oxiden.

També s’utilitzen per transmetre la llum a indrets de difícil accés i s’utilitzen com a sensors, ja que el vidre és sensible a canvis ambientals.

Díodes làser i LED

Els díodes làser i LED son formes menys costoses de produir llum. Són dispositius ceràmics semiconductors que emeten llum qual se’ls connecta un corrent elèctric en una direcció i no deixen passar el corrent quan es connecten en la direcció contrària. Són petits, de baix consum, reemplaçables, barats i duradors.

Nanotecnologia

És el tractament dels materials a escala entre l’atòmica i la molecular. La Nanotecnologia és la part de la ciència dels materials que estudia i manipula la matèria a aquesta nova escala. Desperta molt d’interès al món científic. Tindrà un gran impacte en les nostres vides. Ara estem veient els avantatges, però també estem identificant els riscos.

Escala nano

Un nanòmetre són 10-9 m. Els objectes són molt difícils de manipular (sobretot per les lleis de la física i la química). La gravetat deixa de tenir importància i les interaccions intermoleculars esdevenen importants. A més, l’energia està quantificada i existeix incertesa. A més la matèria es pot comportar com a ona i com a partícula.

Nova escala, nova física: nous instruments

La Nanotecnologia no s’hauria pogut desenvolupar sense una revolució en els instruments. Alguns són el microscopi d’efecte túnel (STM, una punta d’un únic àtom de wolframi al seu extrem mesura els nanocorrents elèctrics). No es veuen els àtoms sinó que la seva posició. També hi ha els microscopis de força atòmica (ATM) que mesuren la força entre una micropalanca.

Entradas relacionadas: