Materials que formen el llautó

1. Els materials en la història de la humanitat

Fins a la revolució industrial, es feien servir materials obtinguts fàcilment de la natura:

Pedra

Primer material usat per l’humà per a construccions monumentals i per la fabricació d’eines i armes.

Bronze

Mitjançant la fosa i l’emmotllament, és possible fabricar estris amb la forma que es vulgui. És un aliatge de coure i estany, més dur que el coure, el primer metall utilitzat per l’home.

ferro

Els minerals de ferro són molt comuns en la natura = fàcil de localitzar.

Però a partir de llavors, a partir del desenvolupament de màquines i les innovacions científiques i tecnològiques, es van començar a utilitzar materials més difícils d’extreure.

2. Localització de materials

La majoria es produeixen a les fàbriques a partir de matèries primeres. Alguns es fabriquen a partir de recursos naturals i altres a partir de materials semielaborats.

 2.1 tècniques de prospecció i exploració
Les tècniques de prospecció i exploració permeten la localització dels materials, i el seu objectiu és trobar i avaluar els jaciments de materials útils i determinar la rendibilitat. A partir del Segle XIX van evolucionar molt (abans es basaven en l’exploració visual del terreny i les prospeccions a poca profunditat): anàlisi geoquímica dels sediments i sòls, ús de senyals elèctrics d’alta freqüència, prospecció aèria mitjançant satèl·lits amb sensors específics,...

3. Producció de materials

Les matèries primeres són els materials obtinguts de les mines, i s’arrenquen de la terra i se separen els materials no desitjables (ganga) del mineral objecte d’extracció (mena). - mines a cel obert: quan el mineral es troba a poca profunditat.-  pous i galeries: quan el mineral es troba a una certa profunditat.

Els minerals produïts a les fàbriques segueixen una estratègia de dues etapes:- 

Primera etapa

S’escalfen els materials fins portar-los al punt de fusió.

Segona etapa

Es dóna forma al material (motlle o làmina) i es deixa refredar i solidificar. Ja tenim un producte semielaborat.

4. Classificació dels materials

La conductivitat elèctrica i tèrmica d’un material metàl·lic depèn de la mobilitat d’electrons en la seva estructura.

Els materials es poden classificar en metàl·lics, polímers, ceràmics, compòsits i altres.

5. Control dels recursos naturals

Un recurs natural és l’element de la natura que gràcies a la tecnologia es pot transformar en alguna cosa útil per a l’ésser humà. Gairebé sempre són limitats.

Qui controla els recursos imposa i domina les relacions econòmiques, i per aquest motiu, les guerres sovint es fan per assegurar-se el control de recursos naturals.

 5.1 l’or
L’or és el metall més dúctil i mal·leable, bon conductor de l’electricitat i resistent a l’oxidació i a la corrosió. Va ser descobert al neolític. Es va començar a fer servir com a moneda de canvi i posteriorment com a patró de les transaccions econòmiques internacionals.

Els materials més usats6. Els metalls

Els seus àtoms estan situats als nusos d’una xarxa regular. Els electrons d’aquests àtoms formen una espècie de núvol electrònic i tenen una gran mobilitat.

Els aliatges són dissolucions d’un element (metàl·lic o no), i són la majoria de metalls que utilitzem.

Els metalls es divideixen en ferrosos i no ferrosos.

7. Metalls ferrosos

El seu component principal és el ferro. Són molt resistents a la tracció i molt durs. En canvi, són corrosius.

Ex: ferro fos, acer i acer inoxidable.

7.1 ferro fos
Conjunt d’aliatges ferrosos que contenen ferro i petites quantitats de carboni i silici principalment.

Aplicacions: carcasses de motors, brides, tubs,...

7.2 acer
Aliatge de ferro i carboni. Baix cost d’obtenció, gran resistència, rigidesa i duresa. Quan es refreda ràpidament adquireix tremp (gran duresa) però guanya fragilitat.

-acers especials: per a eines, de gran elasticitat, per a motlles,...  tenen característi-ques adaptades a les seves aplicacions.

Aplicacions: torres de la línia elèctrica,...

7.3 acer inoxidable Resisteix la corrosió característica de l’acer. És un aliatge de ferro, carboni i crom

Aplicacions: estris de cuina,...

8. Metalls no ferrosos

No contenen ferro. Menys resistència a la tracció, menys duresa i més resistents a la corrosió que els metalls ferrosos.

Els més utilitzats són: alumini, coure, magnesi, níquel, plom, zinc, silici, titani i tàntal.

9. La corrosióÉs el deteriorament d’un material produït per l’atac químic de l’ambient que l’envolta, per tant, és una reacció química. Depèn de la temperatura, la concentració de reactius de l’ambient, l’esforç mecànic a que es sotmet i l’erosió. Produeix grans pèrdues econòmiques.

La corrosió típica dels metalls és la corrosió electroquímica, que consisteix en l’intercanvi d’electrons amb agents externs (que als metalls es produeix fàcilment).

9.1 prevenció a la corroció
Es pot controlar o prevenir mitjançant diversos mètodes, com elegir materials que siguin resistents a la corrosió en l’ambient que s’han d’utilitzar, o recobrir amb una pel·lícula d’un altre material (com les pintures o el galvanitzat),...

10. Els polímers

Estan formats per la uníó de monòmers (moltes molècules petites), que formen cadenes enormes amb formes molt diverses. Hi ha:

- polímers naturals: cotó, seda, llana, cautxú natural...

Polímers sintètics: plàstics, fibres, cautxús... Són els més utilitzats.

 10. 1 els plàstics
Polímers que es deformen irreversiblement quan se’ls aplica una força intensa. Baix cost de fabricació, pes reduït i bons aïllants elèctrics. Però no són biodegradables, per tant, contribueixen a la contaminació mediambiental. Hi ha:

- termoplàstics: s’han d’escalfar per donar-los forma. Un cop se’ls hi ha donat, es deixen refredar, i si es volen tornar a modificar, es poden reescalfar uns quants cops fins que arriba un punt que perd les seves propietats.

Plàstics termoestables: adquireixen forma mitjançant una reacció química. Posteriorment, no es poden tornar a fondre perquè sinó es degraden o descomponen.

10. 2 els cautxús
El cautxú sintètic s’obté a partir d’hidrocarbus i ha anat substituint al natural a poc a poc. Gran elasticitat i flexibilitat, resistència a les esquinçadés i a l’abrasió, repel·leixen l’aigua, són bons aïllants tèrmics i elèctrics,...

Aplicacions: pilotes de golf, calçat, pneumàtics,..

10. 3 les fibres
Polímers que s’utilitzen per fabricar teixits. S’obtenen a partir de carbó, quitrà, amoníac, petroli o altres productes industrials. Són elàstiques, resistents al desgast i a la presència d’agents externs, lleugeres... A més es poden tenyir mitjançant colorants.

11. Materials ceràmics

Són sòlids inorgànics, no metàl·lics i fabricats mitjançant el tractament tèrmic. Les matèries utilitzades per fabricar ceràmiques són les argiles, els feldspats i el quars (més tradicionals), i el titani (més actual). Gran resistència mecànica i a la corrosió, i bon aïllament tèrmic i elèctric.

Aplicacions: indústria aeroespacial, medicina (ossos), optoelectrònica (fibres de vidre) i energia nuclear.

 11. 1 el vidre
Material ceràmic, dur, fràgil, transparent, resistent a l’atac d’agents químics i bon aïllant elèctric.

Aplicacions: en edificis, vehicles, fibres òptiques,...

12. El paper

S’obté a partir de pasta de paper elaborada amb teixits vegetals. Les necessitats del paper van créixer molt amb l’aparició de l’impremta i amb la revolució industrial. Per això, es va passar de la fabricació artesanal a la industrial.

12. 1 el futur del paper
Hi ha el paper que es destina a imprimir documents de text o gràfics, i el que es destina a fabricar mocadors, tovallons, paper higiènic, caixes, etc.

El primer, va créixer molt al Segle XX, però es preveu que al xxi hi haurà una gran reducció de llibres, revistes i diaris impresos en paper. Això es Déu a l’ús de l’ordinador, d’impressores i fotocopiadores. Però això no vol dir que no creixi l’ús del paper, sinó al contrari: va créixer espectacularment, ja que tot i que circulen en format electrònic, al final s’han d’imprimir. Però es creu que això canviarà quan es millori la qualitat de les pantalles electròniques.

En quant al segon tipus de paper (mocadors, paper higiènic, etc), es preveu que augmentarà considerablement.

12. 2 el paper i la desforestació
La desforestació és la desaparició de boscos i masses forestals causada principalment per l’activitat humana. La fabricació de paper requereix cel·lulosa, que s’obté dels arbres, i si la seva demanda obliga a talar més arbres dels que es poden reposar, s’anirà cap a la desforestació progressiva del planeta.

Si els boscos continuen sent destruïts, els patrons globals del clima es poden tornar inestables i extrems.

Per això hi ha estratègies com el reciclatge de paper i el consum de productes de paper reciclat. 

 12. 3 la fusta
Material natural que s’obté dels teixits llenyosos del tronc, arrels i branques dels arbres. Propietats: alta resistència a la flexió, a la tracció i a la compressió, poca resistència al tall, poca elasticitat, i gran aïllament tèrmic. Inconvenient: vulnerabilitat a l’atac d’insectes i fongs.

La nanotecnologia

12.4 fonaments científics de la nanotecnologia

És el conjunt de tècniques que permeten exercir l’enginyeria a escala atòmica. Els components són els àtoms i molècules que formen la matèria. Això permet crear estructures artificials a escala nano amb propietats diverses.

El fonament de la nanotecnologia és la capacitat de generar una gran varietat d’estructures atòmiques amb una regularitat geomètrica perfecta i sense impureses.

Hi ha una relació directa entre l’ordenació dels àtoms i les propietats d’un mateial, cosa que planteja dos objectius: el primer, que cal descobrir quines propietats es poden obtenir mitjançant la modificació de l’ordenació dels àtoms, i el segon que cal desenvolupar mètodes que ho permetin.

Es diu que la nanotecnologia és una matèria multidisciplinària perquè hi conflueixen la química, la física, la biologia, l’electrònica i molts camps de l’enginyeria.

13. Aplicacions de la nanotecnologia

La magnetoresistència gegant va ser una de les primeres aplicacions. 10 anys després va aparèixer el primer disc dur d’ordinador basat en aquest principi. Altres: aplicació electrostàtica de pintura sobre components d’automòbil, conductors transparents per a pantalles flexibles, cremes de protecció solar, ulleres...

 13.1 nanotubs de carboni
Són tubs la secció dels quals té un diàmetre d’uns quants nanòmetres i una longitud que pot arribar a l’ordre dels mil·límetres.

Segons l’estructura, diferenciem:

-  nanotubs de capa única: les parets del tub estan formades per una capa fina de molècules de carboni.

-  nanotubs de capa múltiple: formats per diverses capes concèntriques.

Propietats: bons aïllants i bons conductors, gran elasticitat i conductivitat en la direcció de l’eix, químicament inerts i biològicament compatibles, durs,...

13.2 fabricació de nanotubs Hi ha diferents mètodes:

- es fa saltar una guspira elèctrica entre dos barres de grafit ja que quan salta, el carboni del grafit es converteix en plasma. El conjunt es manté a una pressió adequada i part del carboni fos es torna a condensar en forma de nanotub.

Es bombardeja amb làser una barra de grafit, amb la qual cosa també s’aconsegueix fondre el carboni i condensar-lo després. 

   13. 3 aplicació a la medicina
La nanotecnologia permetrà construir biosensors, biomaterials i bioxips més eficients que els actuals pel tractament de malalties com el càncer.

Aquests podran alliberar fàrmacs selectius en llocs predeterminats i permetre la reparació de cèl·lules i teixits danyats, sense danyar les cèl·lules contigües. Així doncs, molts tractaments utilitzaran nanopartícules amb capacitat de destruir tumors de manera selectiva per mitjà de substàncies químiques.

Per altra banda, un altre objectiu és la síntesi de molècules complexes, bàsiques per la vida. Aquest procés es fa àtom a àtom i de manera controlada.

D’aquesta manera, podem dir que les aplicacions de la nanotecnologia a la medicina revolucionaran la cura de la salut, i que la indústria farmacèutica farà un gran pas.

13.3.1 nanorobots
Són màquines molt petites fetes a base d’àtoms i molècules que tenen per objectiu fer un treball a dimensió molecular, com per exemple reparar o destruir una cèl·lula. També poden enviar informació de l’exterior o rebre-la, de manera que la seva activitat pot ser controlada a través d’una computadora.

Aplicació a la medicina: permeten reparar teixits danyats, destruir tumors i detectar alteracions en òrgans.

Aplicació en el medi: permet destruir agents contaminants mitjançant atacs químics selectius i transformar-los en materials inofensius pel medi ambient.

 13.4 aplicació a la energia solar
L’inconvenient de l’energia solar fotovoltaica és l’alt cost de fabricació dels panells solars. Pel seu compte, la nanotecnologia està revolucionant els costos i els percentatges de rendiment d’aquests panells.

A més, s’està descobrint que es pot obtenir substàncies colorants amb capacitat per generar electricitat a partir de l’energia solar (aquestes pintures incorporen nanopartícules que poden alliberar electrons quan hi incideix la radiació solar).