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NUEVAS NECESIDADES, NUEVOS MATERIALES
Ciencias para el mundo
contemporáneo 1º Bachillerato Inmaculada García
ÍNDICE
1. De materia a materiales.2. ¿De dónde obtenemos los
materiales?3. Propiedades de los materiales.4. Tipos de materiales.5. Materiales naturales: el papel. Los
metales. La corrosión.6. Polímeros. Clasificación. Plásticos.7. Nuevos materiales para el siglo XXI8. Nanociencia. Nanomateriales. La Nanotecnología.
1. De materia a materialesLa materia está constituida por átomos.
Los 116 átomos conocidos se recogen y organizan en la tabla periódica.
¿Cuáles son naturales?De ellos 90 son naturales y se han ido formando en:
• Primeros instantes del universo (H, He y Li)
• Interior de las estrellas por fusión del H y He (C, N, O, hasta el Fe)
• Explosiones de supernovas (el resto, como el Au y la Ag).
Otra manera de organizar la materia: la complejidad de su estructura
Los átomos son las partículas constitutivas de los elementos químicos, cada uno con sus propiedades. Por ejemplo el cobre ( Cu)
Los elementos se combinan para formar los compuestos químicos (de propiedades diferentes a los elementos). Por ejemplo el yeso (que tiene calcio y azufre: CaSO4 · 2H2O).
Los elementos y/o compuestos se pueden mezclar para mejorar algunas de sus propiedades, adecuadas a determinadas funciones, (el Cu y el Sn se mezclan para obtener la aleación denominada Bronce).
Los materiales se pueden mezclar para dar lugar a un material de propiedades distintas a los primeros que denominaremos composite (adobe de barro y paja, madera contrachapada o poliamida).
Definición de material• Sustancia de la que cualquier cosa está compuesta o hecha.
Usados por el hombre desde el comienzo de los tiempos
Ejemplos «convencionales»
madera, hormigón, acero, plástico, vidrio, papel, aluminio
necesarios para mantener su nivel de vida
adecuados a cada época
… y a sus posibilidades
Criterios para la selección de un material
• Propiedades físicas y mecánicas adecuadas • Posibilidad de procesar o manufacturar el material fácilmente • Solución económica • No nocivo para el medio ambiente
Importancia de la investigación en nuevos materiales
Conocimiento de la estructura yPropiedades de los materiales Elección del material más adecuado
(características, rentabilidad)
Fabricación del mejor producto para aplicación concreta
¿DE DÓNDE OBTENEMOS LOS MATERIALES?
Según el origen de los materiales podemos clasificarlos en:
• Naturales (obtenidos de la naturaleza) : madera, granito. Etc.
• Transformados (obtenidos por transformación o mezcla de material natural): papel, caucho vulcanizado, cemento, acero, etc.
• Artificiales o sintéticos (obtenidos de procesos químicos o físicos): plásticos, fibras artificiales, etc.
• Reciclados (a partir de objetos del mismo material): papel, vidrio, etc.
PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
Materiales metálicos• Elementos químicos caracterizados por ser buenos
conductores del calor y la electricidad, poseen alta densidad, y son sólidos en temperaturas normales (excepto el mercurio); sus sales forman iones electropositivos (cationes) en disolución
• Se clasifican en metales férreos y no férreos.
Materiales poliméricos (plásticos)• Materiales de origen orgánico constituidos por
macromoléculas naturales o sintéticas de elevado peso molecular, cuyo principal componente es el carbono.
• Buena maleabilidad y deformabilidad. • Se clasifican en: termoplásticos, termoestables y
elastómeros.Materiales cerámicos• Son compuestos o soluciones inorgánicas de
elementos metálicos y no metálicos.• Poseen alta dureza y alta fragilidad• Se clasifican en: cerámicas convencionales y
cerámicas avanzadas
Madera• Se obtiene de la parte leñosa de los árboles. • Se utiliza como combustible, para la industria
papelera , para la fabricación de muebles, elementos de construcción (vigas, escaleras ... ), decorativos (esculturas, marcos de fotografías ...)
Pétreos- Se extraen de las rocas.- Son materiales pétreos el mármol, la pizarra, el vidrio, el yeso, el cemento y el hormigón.
Composites• Los composites o resinas compuestas son
materiales compuestos de dos o más materiales, sin formar aleaciones.
MATERIALES NATURALES: el papelLOS METALES. LA CORROSIÓN METÁLICA
MATERIALES NATURALES: El papel
La fabricación del papel
El papel se obtiene a partir de pasta de papel elaborada con tejidos vegetales.
El papel y la deforestación
SOLUCIONES:
o Plantación y Tala controlada.
o Reutilización fibras de
papel usado.
o Reciclado y consumo de productos de papel reciclado.
LOS METALES. Se dividen en:
Metales ferrosos• Contienen como elemento base
el hierro.• Los principales son el hierro
fundido, el acero y el acero inoxidable.
Metales no ferrosos• No contienen hierro. Tienen
menor tendencia a la tracción y menor dureza.
• Se clasifican en: aleaciones pesadas, aleaciones ligeras y las aleaciones superligeras.
MetalurgiaLa Metalurgia es la ciencia y técnica de la obtención y
tratamiento de los metales, desde minerales metálicos, hasta los no metálicos.
METALURGIA EXTRACTIVA: Obtención comercial de metales a partir de sus menas y preparación de los metales para su uso.
ETAPAS:1. Extracción de la mena.2. Pretratamiento de menas.3. Reducción a metales libres.4. Afino o purificación.
El hierro es el metal más utilizado de la corteza terrestre, siendo su principal aleación el acero.
1. Extracción del mineral
3. Calcinación
4. Separación de Escoria y arrabio
5. B) Transformación del arrabio en Hierro dulce o fundición de hierro
5. A) Transformación del arrabio en acero
2. Separación de menas y gangas
La siderurgia: técnica del tratamiento del mineral de hierro para obtener diferentes tipos de éste o de sus
aleaciones .
El acero
La corrosión es un ataque químico que sufre un material debido al ambiente donde se halla.
La corrosión típica de los metales es la corrosión electroquímica.
La corrosión de los metales constituye una de las pérdidas económicas más grandes de la civilización
moderna.
PREVENCIÓN Galvanizado Pinturas
La corrosión metálica
LOS POLÍMEROS
Clasificación. Los Plásticos
Los plásticos se obtienen artificialmente a partir de pequeñas moléculas denominadas monómeros (iguales o distintos) que se van uniendo en un gran número para formar moléculas mucho mas complejas (polímeros) mediante un proceso denominado polimerización.
Historia del plástico
Los plásticos
Procesos de fabricación con plásticos
Clasificación de los polímeros
Nuevos materiales para el siglo XXI
Nuevos materiales. Propiedades y aplicaciones
Materiales cerámicos «avanzados»: la investigación en estos materiales están dirigidas a la mejora y potenciación de sus propiedades y a la corrección de sus defectos; para disminuir su fragilidad o impurezas químicas.
Materiales poliméricos «avanzados»:
• Fibras de alto módulo: muchos polímeros cristalinos presentan extraordinarias propiedades mecánicas; las mejores propiedades se obtienen de las fibras, en las que se consigue mediante estiramiento, ordenar las cadenas de polímero en una misma dirección.
Biomateriales: Han supuesto la base del desarrollo de técnicas y aplicaciones médicas. Los materiales utilizados pueden ser de origen metálico, cerámico o polimérico; aportando soluciones muy eficaces en el diseño y
aplicación de prótesis en el organismo humano.
Nuevos materiales metálicos: soportan condiciones extremas más duras.
oNuevos aceros microaleados
oAleaciones de aluminio: aplicación en el transporte, sobre todo aeroespacial. Ejemplo: Airbus
Superconductores: Son materiales que presentan una elevada conductividad eléctrica y térmica.
Materiales inteligentes: Los materiales inteligentes derivan de la nanotecnología. Son materiales que poseen la capacidad de responder de forma controlada y reversible a estímulos externos (físicos o químicos).
Materiales inteligentes
El coltán
Mezcla de dos minerales: La columbita (óxido de niobio con hierro y magnesio) y la Tantalita (óxido de tántalo con hierro y magnesio) que se encuentran juntos como parte de ciertos granitos; a partir de ellos se obtienen:
El Niobio (Nb): fabricación de imanes de alto poder magnético, clave del desarrollo de micromotores(discos duros), altavoces y auriculares potentes y precisos. Tiene aplicaciones para ordenadores, industria aeroespacial, levitación magnética o implantes médicos
El Tántalo(Ta): fabricación de condensadores, está presente en todas las baterías de móviles o aparato con baterías recargables.
Ver Documental
Su valor es muy alto, por lo que controlar su producción es un negocio rentable para gobiernos, distribuidores y fabricantes. Sin embargo a la República Democrática del Congo le ha traído muchos problemas.
NANOCIENCIA NANOTECNOLOGIA. NANOMATERIALES
Disciplina que estudia todos los aspectos científicos a tamaño
nanométrico. (1 nanómetro (nm) = 10-9 m)
Con los microscopios de efecto túnel podemos “ver” y “coger” los átomos para fabricar sustancias y piezas de tamaño atómico (más pequeños que las células).
NANOCIENCIA
• El carbono es el elemento más importante de nuestra existencia, es muy abundante en la naturaleza y hemos aprendido a elaborar un buen número de objetos de uso cotidiano en deportes, medicina, construcción de puentes y aviones... (diamante, grafito, fibra de carbono).
• A nivel nanoscópico ya se ha obtenido el fulereno (C60 ) en forma de balón de fútbol que podría contener las dosis de un determinado medicamento que soltaría en las proximidades de las células infectadas.
También se le puede dar forma de tubo (nanotubos). Hasta ahora se ha conseguido una longitud de18 mm. Estos se pueden convertir en nanocables si se combinan con un conductor (Boro) o nanointerruptores con un semiconductor.
LA NANOTECNOLOGIACiencia aplicada dirigida al diseño, fabricación y aplicación de materiales y
aparatos a escala nanométrica.
Podremos fabricar máquinas de tamaño microscópico.
Podremos diseñar nuevos materiales que se comportarán de una determinada manera únicamente en una situación concreta.
Las fábricas del futuro
Aplicaciones
Aplicaciones Eléctricas.
• Batería flexible de nanotubos de carbono. Mezclando nanotubos con papel. Baterías de papel
enrollables que no se pegan.• LED. Sustituto de bombillas: más duraderas, eficaces,
menor consumo y más rápidas.
Aplicaciones electrónicas* Nanochips de unos 500 nm (0,0005).
Aplicaciones medicina y farmacia* Investigación con medicamentos en el interior de los Fulerenos (buckyballs).
Aplicaciones textiles* Fabricación de tejidos que repelen los líquidos
(fibras con nanotubos) (tapicerías...)
• Aplicaciones arquitectura y urbanismo * Recubrimientos que repelen la pintura de los graffitis. * Vidrios fotocrómicos que cambian el color con la luz incidente (control Tª interior de habitaciones y protección frente a rayos UV e IR).
* Cerámica: sanitarios que repelen los líquidos.
Aplicaciones
