Nuevas necesidades, nuevos materiales

2. 1. Materiales y su clasificación
2. Obtención de los materiales
3. Propiedades de la materia
4. Metales
• Extracción y obtención del metal puro
• Coltán
• Nuevos materiales metálicos
5. Polímeros
• Celulosa
• Plásticos
6. Materiales cerámicos
7. Composites
8. Nanociencia y Nanotecnología
• Concepto
• Ejemplos y aplicaciones
o Nanocompuestos de carbono
o Zeolitas
• Microscopio de efecto túnel

3. Los materiales y su clasificación
Materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio.
Todas las cosas que conocemos están formadas por materia, y la materia la
clasificamos en elementos, compuestos, mezclas homogéneas y mezclas
heterogéneas.
Pero desde el punto de vista tecnológico los materiales se clasifican en 4 grupos:
• ateriales metálicos buenas propiedades mecánicas, pero poca
M
resistencia a la corrosión. Por ejemplo: titanio, nuevas aleaciones, etc.
• ateriales poliméricos Buena maleabilidad y deformabilidad, pero se
M
degradan. Por ejemplo los plásticos.
• ateriales cerámicos Dureza frente al rayado, pero frágiles ante
M
golpes. Por ejemplo el barro de los ladrillos y cerámicas.
• ateriales compuestos (composites) Sus propiedades dependen de
M
los materiales empleados. Por ejemplo cemento, asfalto, empastes, etc.

4. Obtención de los materiales
Los materiales pueden clasificarse según su procedencia, y así podemos
encontrarnos:
• ateriales naturales, se obtienen directamente de la naturaleza: granito,
M
madera, etc.
• ateriales transformados, se obtienen transformando algún material natural o
M
mezclando varios: papel, caucho vulcanizado, cemento, hacer, etc.
• ateriales artificiales o sintéticos, que se obtienen como productos de
M
procesos químicos o físicos: plásticos, fibras artificiales., etc.
• ateriales reciclados, que se obtienen a partir de objetos del mismo material
M
usados: papel, vidrio, plásticos, etc.

5. Obtención de los materiales
Un ejemplo de transformación de un material natural es el de VULCANIZACIÓN
DEL CAUCHO para fabricar neumáticos.
El caucho es una goma pegajosa que se obtiene del
árbol del látex. Esta goma al solidificarse se utilizaba
para fabricar objetos, pero se volvía quebradiza con
altas y bajas temperaturas.
En 1839 Charles Goodyear descubrió que al
mezclarlo con azufre y calentarlo, la mezcla que se
obtenía, una vez solidificada, era más resistente a la
temperatura, y así pudo emplearse en la fabricación
de neumáticos.

6. Propiedades de los materiales
Cuando utilizamos un material para la fabricación de un objeto cualquiera, lo
hacemos porque posee una serie de propiedades que hacen que ese material sea el
adecuado. Por ejemplo, para fabricar una broca, usaremos un material que sea
resistente y compatible con el material a perforar.
 ropiedades mecánicas:
P
• Densidad: es el cociente de la masa entre el volumen de un cuerpo.
• ureza: es la resistencia a ser rayado. La escala de Mohs describe la dureza de
D
los materiales de 1 a 10. El más duro es el diamante.
• ragilidad: es la facilidad para romperse con un golpe seco. Algunos vidrios se
F
fabrican con incrustaciones de otros materiales para disminuir su fragilidad.
• aleabilidad: es la capacidad para estirarse en láminas finas. Por ejemplo el
M
aluminio y el oro (pan de oro).
• uctilidad: es la capacidad de estirarse en hilos muy finos. El cobre es muy
D
dúctil y se usa para hacer los cables eléctricos.
• lasticidad: es la resistencia para aguantar fuerzas grandes sin romperse. Por
E
ejemplo, la fibra de carbono.
• lasticidad: que se puede moldear sin romperse. El ejemplo típico es la
P
plastilina.

7. Propiedades de los materiales

8. Propiedades de los materiales
 ropiedades térmicas:
P
• emperatura de fusión: es la temperatura a la que pasa de sólido a líquido.
T
Algunos metales como el Wolframio resisten hasta los 3200 ºC, y se usan en
los filamentos de las bombillas.
• onductividad térmica: es la facilidad para transmitir el calor. Los metales
C
son buenos conductores térmicos.
• alor específico: es el calor que hay que darle para que su temperatura
C
aumente 1ºC. Por ejemplo, los platos de barro tienen un calor específico
alto y conservan el calor de la comida bien.

9. Propiedades de los materiales
 ropiedades electromagnéticas:
P
• onductividad eléctrica: facilidad para transmitir la corriente eléctrica. Los
C
metales sonbuenosconductores.
• omportamiento magnético: hay materiales que son atraídos por un imán,
C
mientras que otros no. Por ejemplo el hierro (sí) y el aluminio (no).
 ropiedades acústicas: según si son buenos transmisores de sonido o
P
aislantes. Por ejemplo, el porexpan se usa para aislamientos acústicos en las
casas.
 Propiedades químicas: algunos materiales resisten a la corrosión mejor que
otros. Por ejemplo el acero inoxidable resiste más que el acero o el hierro.

10. Propiedades de los materiales
 ropiedades ópticas:
P
• olor
C
• ransparencia: por ejemplo, la fibra de vidrio es muy transparente y la luz
T
puede viajar kilómetros sin atenuarse, por eso se usa en comunicaciones y
en endoscopios.
• eflectividad: es la capacidad para reflejar la luz, como la que tienen los
R
plásticos usados en los chalecos reflectantes.
• ndice de refracción: indica cuánto se desvía la luz al pasar a través de ese
Í
material. Esa es una propiedad muy útil para construir lentes.

11. Metales
Los metales son los elementos más abundantes en la Tierra, pero rara vez se
encuentran puros. Normalmente se encuentran combinados con otros
elementos formando minerales.
Un mineral que contiene cantidad suficiente del metal de interés, se llama mena.
Los yacimientos de mineral están formados por la mena y la ganga, que es la
parte que no contiene el metal de interés.
Para extraer el metal de la mena, hay que realizar una reacción de reducción y se
usan sobretodo dos procesos industriales: la reducción con calor o la electrolisis.

12. Metales
1. Reducción con calor: es la que se realiza en los altos hornos. Consiste en
mezclar el mineral con carbón y con piedra caliza, en un horno muy alto, y
calentarlo. Al final se obtiene el metal fundido en el fondo del horno, de
donde se recoge para darle forma.
En la obtención de Hierro, en el fondo del horno se obtiene Hierro mezclado
con carbón, que es el acero. El carbono le proporciona al hierro más dureza y
flexibilidad. En la antigüedad ya se empleaba el acero en lugar del hierro para
fabricar espadas, que se trabajaban en las antiguas fraguas.

13. Metales
• a electrolisis o reducción mediante electricidad se
L
realiza disolviendo o fundiendo el mineral en una vasija,
en la cual se introducen un par de electrodos
conectados a una fuente de corriente. La electricidad, al
pasar a través del mineral, hace que este se reduzca y se
forme el metal.
Este método se suele usar para obtener los metales
como Litio, sodio , potasio, magnesio, calcio y aluminio.

14. Metales
La materia prima para obtener el mineral es muy apreciada y muchos países
sufren las luchas por controlar las minas, que dan muchos beneficios a
gobiernos, distribuidores y fabricantes.
Un caso sangrante es el del Coltán.
El Niobio se usa para fabricar imanes
Coltán = Columbita + Tantalita usados en auriculares, altavoces y
discos duros.
Niobio Tántalo El tántalo, para fabricar condensadores
que se usan en los móviles.
En la República democrática del Congo hay grandes yacimientos de
Coltán. Esto ha provocado luchas por el control de la zona que han
provocado la muerte a 4 millones de personas y la migración a
Uganda de otros tantos.
Además se utiliza mano de obra en condiciones de semiesclavitud.
También ha provocado grandes pérdidas en las poblaciones de
gorilas y elefantes

15. Metales
Actualmente la investigación y nuevas aplicaciones de los metales se dirige hacia
la búsqueda de nuevas aleaciones.
• ceros combinados con Titanio, vanadio o niobio, para mejorar la dureza y
A
la resistencia del metal. Se usan en la construcción de grandes rascacielos.
• uevas aleaciones de aluminio, ligeras pero resistentes, que se emplean en
N
industria aeronáutica.

16. Polímeros
Desde siempre el hombre ha empleado polímeros naturales para satisfacer sus
necesidades: madera, cuero, resinas, gomas naturales y fibras (lana y algodón).
Resina Papiro Seda
Los polímeros sintéticos se utilizan desde el S XX. El plástico llamado Parkesina
fue el primer material sintético de la historia; fue inventada por Parkes en 1862 y
contiene nitrocelulosa. En 1909 Leo Baekeland inventó la bakelita, que inició la
era de los plásticos.

17. Polímeros
Polímero: es una molécula de gran
tamaño formada por la unión de
moléculas más pequeñas llamadas
monómeros, que se unen con enlaces
covalentes.
Ventajas y desventajas de los polímeros frente a los metales:
Ventajas:
• Poco peso
• Alta resistencia a la corrosión y a los agentes químicos
Desventajas:
• Baja resistencia mecánica
• Baja resistencia al calor
• aja resistencia a la degradación
B
• o es reparable
N

18. Polímeros
Papel
Una fibra natural de gran uso es la celulosa.
Esta fibra se obtiene de los árboles y se emplea para fabricar papel.
Para obtener la celulosa de la madera, hay que cortarla finamente y lavarla con
una gran cantidad de agua y se calienta a 200ºC para separar la celulosa de la
lignina.
La pulpa obtenida se blanquea usando cloro (Cl2)
A continuación se le añaden colas u otros consolidantes para hacer el papel más
flexible y resistente.
Por último, se procesa haciendo bobinas de papel para almacenarlo.

19. Fabricación
del papel

20. Polímeros
Durante el proceso de fabricación del papel se consume muchísimo agua y
electricidad. Pero sobretodo se deben talar demasiados árboles.
Para evitar estos excesos podemos comenzar por consumir menos papel,
empleando más libros digitales, protegiendo los bosques mediante tala controlada
y reforestación, y usando papel reciclado. La fabricación de papel a partir de papel
reciclado consume menos recursos.
¡¡RECICLA!!

21. Polímeros
Plásticos:
Son polímeros sintéticos que se caracterizan por tener una elevada plasticidad,
que permite darles la forma que más convenga. Hoy en día su uso es muy amplio.
El marco de la raqueta está fabricado con fibra de carbono, y el
encordado es de nylon
La colchoneta está fabricada con espuma de poliuretano
Los Tupper están fabricados con polietileno
Los pañales están fabricados con varios tipos de plásticos y
el principal es el poliacrilato, un polímero en polvo capaz de
absorber kilos de líquido.

22. Polímeros
El mayor problema que presentan los plásticos
es que al no ser biodegradables, sus residuos
permanecen cientos de años en los vertederos.
Incluso en los océanos se han localizado “islas
de plásticos” de gran superficie.
No todos son reciclables, y además el reciclado
es aún bastante caro.
La incineración de estos residuos no es
recomendable ya que pueden producir
sustancias nocivas para la salud y el
medioambiente.
Actualmente están surgiendo productos
alternativos al plástico que sí son
biodegradables. Se obtienen del maíz o la
patata y se usan para fabricar bolsas y
recipientes de agua.

23. Polímeros
Los polímeros se pueden clasificar de muchas formas ya que son muy variados
tanto en sus composición química como en sus propiedades. Esta clasificación se
basa en su utilidad industrial. Cada tipo de plástico va asociado con un número
para identificarlo y facilitar su reciclaje.

24. Polímeros
PET

25. Polímeros
HDPE

26. Polímeros
PVC

27. Polímeros
LDPE

28. Polímeros
PP

29. Polímeros
PS

30. Polímeros

31. Materiales cerámicos
La palabra “cerámica” proviene del griego “keramos” que significa “quemar”. Con
esta palabra nos referimos a las arcillas, en su forma más general.
Las arcillas son silicatos de aluminio, que se caracterizan por tener unas
partículas muy finas; al hidratarlas, el material se hace moldeable y si se deja
secar se queda rígido. Si además se calienta a temperaturas mayores de 800ºC,
se torna permanentemente rígida (aunque se vuelva a mojar) y a esta se la
denomina cerámica.
Las aplicaciones
tradicionales de
las arcillas son:
utensilios de
cocina, objetos
artísticos,
ladrillos,
cemento,
vidrio…

32. Materiales cerámicos
• uros
D
Propiedades: • rágiles
F
• orosos
P
• efractarios (resisten altas temperaturas)
R
Aplicaciones: placas cerámicas para recubrir los
cohetes espaciales y protegerlos de las altas T
al entrar en la atmósfera. También se usan para
recubrir hornos, incluso los altos hornos de
acero, que alcanzan temperaturas de 1600ºC.
El gran problema de las cerámicas es su fragilidad, que se debe en parte al tamaño
de los granos (demasiado grandes) o a defectos en su estructura.
Objetivo reducir el tamaño de
los granos por debajo de la micra, y
disminuir los defectos de la estructura

33. Materiales cerámicos
Los materiales cerámicos avanzados son aquellos materiales que combinan las
características y las ventajas de la cerámica tradicional, por ejemplo inercia química,
capacidad a alta temperatura, y dureza, con la capacidad de soportar una tensión
mecánica significativa.
Por ejemplo, los nitruros de silicio son
materiales muy duros, que se pueden
emplear en piezas de los motores de
última tecnología: válvulas, inyector de
combustible, rotores de turbo,
pistones…
Los carburos de silicio son más duros,
tienen la estructura del diamante y son
casi tan duros como él. Se emplean en
herramientas de corte, sustituyendo al
diamante.

34. Composites
Son materiales formados por varios materiales de los anteriormente vistos. Se
clasifican en función del material empleado como base:
• e matriz metálica
D
• e matriz polimérica
D
• e matriz cerámica
D
Madera contrachapada: láminas de
Hormigón: es un compuesto madera con las vetas
cerámico, compuesto de material perpendiculares entre sí, para darle
granular grueso (grava) y fino rigidez, pegadas con resina.
(arena ) incorporados en una
pasta dura de cemento.

35. Composites
El composite más antiguo que hay es el adobe, formado por arcilla y paja. La paja
mejora las propiedades de la arcilla, dándole más resistencia.
Otros composites conocidos son las mezclas de
resinas que se emplean en el dentista para
reparar las caries. En este caso se trata de
compuestos sintéticos, que polimerizan con luz
ultravioleta, y al final de la polimerización
permanecen rígidos, cerrando el diente

36. Nanociencia y nanotecnología
http://www.youtube.com/watch?v=sa8_W9c5n7s&feature=fvwrel
http://www.dailymotion.com/video/xcfseo_nanotecnologia‐el‐peso‐del‐minuscul_tech
Nano es un prefijo que viene del griego “νανοσ” que significa diminuto, enano.
En el Sistema Internacional se usa para indicar un factor de 10‐9 es decir, la
milmillonésima parte de un metro
La nanociencia es el estudio de los objetos de un tamaño nanométrico y de sus
propiedades. La nanotecnología es la tecnología generada con objetos
nanométricos, es decir, la construcción de materiales, estructuras, dispositivos a
través del control y ensamblado de materia a escala nanométrica.
Cuando se manipula materia en esta escala de átomos y moléculas, presenta
propiedades totalmente nuevas que se pueden usar para fabricar aplicaciones
novedosas.

37. Nanociencia y nanotecnología
La nanociencia y la nanotecnología abarcan desde 0,1 a 100 nm (1000 nm equivalen a
1 micrometro, y ya no se consideraría nanociencia)

38. Nanociencia y nanotecnología
nanoquímica
nanoimanes
nanoelectrónica
nanomotores nano
nanomedicina
nanotubos
nanopartículas
nanobiotecnología

39. Nanociencia y nanotecnología
Disponer de nuevos materiales es una necesidad constante a lo largo de la historia de
la Humanidad.
La piedra, el bronce, el hierro,… los aceros que permitieron la Revolución Industrial, el
aluminio y los polímeros que han sustituído al acero en los automóviles, los plásticos
que sustituyeron muchas veces al cartón…
El Carbono:
Hoy en día muchos nuevos materiales que se están desarrollando se basan en el
carbono.
El C es un átomo especial: cada átomo de carbono puede formar dos, tres o cuatro
enlaces con átomos vecinos, lo que permite una gran variedad de estructuras.
Además los enlaces entre carbonos son muy fuertes, pero no tanto como para que no
se puedan romper y volver a formar de nuevo.

40. Nanociencia y nanotecnología
En la naturaleza el carbono puro se encuentra en dos formas, muy diferentes en su
estructura y propiedades.
diamante grafito

41. Nanociencia y nanotecnología
Nuevos nanomateriales de carbono:
• rafeno: a cada uno de los planos que componen la
G
estructura del grafito se le llama grafeno.
El premio Nobel de Física de 2010 recayó sobre Andre
Geim y Konstantin Novoselov por sus estudios sobre
las propiedades de grafeno.

42. Nanociencia y nanotecnología
http://www.youtube.com/watch?
v=yc8qYXG5Snk&feature=related
Prototipo de móvil de
láminas de grafeno, y
plásticos
Papel de grafeno, más resistente que el acero
Transistor de grafeno
diseñado por IBM

43. Nanociencia y nanotecnología
• anotubos de carbono: son tubos de carbono formados por una lámina de
N
grafeno enrrollada, con un diámetro de 10 nm (10 000 veces más finos que un
cabello). Fueron descubiertos por casualidad en 1991.
Son 10 veces más ligeros que el acero, y 100 veces más resistentes.
Es un buen conductor eléctrico,
resistente y flexible. Se puede
emplear para:
‐ Cables para trasportar la
electricidad
‐ Semiconductores para hacer
dispositivos electrónicos (diodos,
transistores…)

44. Nanociencia y nanotecnología
Ascensor desde la Tierra a la Luna
fabricado con nanotubos de carbono, más
resistentes que el acero
Transistores con nanotubos de
carbono sobre un material
polimérico

45. Nanociencia y nanotecnología
• Fullerenos: son moléculas esféricas formadas por átomos de carbono unidos
formando hexágonos ypentágonos. Tambien se les llama buckminsterfullerenos
en honor al arquitecto Buckminsterfuller, cuyas cúpulas geodésicas se parecían
mucho a esta molécula.
Fullereno C60
también llamado
futboleno
Existen otras muchas moléculas con más átomos de C, y todas se llaman
fullerenos. Al ser moléculas rígidas, sus posibles aplicaciones van dirigidas a su uso
como transportadoras de fármacos en el organismo hacia los lugares donde deban
actuar.

46. Nanociencia y nanotecnología
Microscopio de efecto túnel (STM) y Microscopio de fuerza atómica (AFM)
Son los ojos y las manos de la nanotecnología. No sólo permiten “ver” átomos
sino que permiten también manipularlos.
Su funcionamiento es bastante parecido. En lugar de una lente, como tendría uin
microscopio normal, tienen una punta muy fina de silicio, que se “pasea” por
encima del material, y es capaz de representar en 3D la superficie del material.
Átomos de silicio de un cristal.
Imagen tratada por ordenador del
resultado de un microscopio de
efecto túnel.

47. Nanociencia y nanotecnología
Pero además con estos microscopios se pueden llegar a manipular átomos
individuales!! Para ello la punta del microscopio se carga y los átomos se pegan a
ella, como los trocitos de un papel se quedan pegados a un boli que hemos frotado
para cargarlo con electricidad estática.
Logotipo de IBM escrito con átomos de Xenon
sobre una superficie de níquel (1990)

48. Nanociencia y nanotecnología
También se puede escribir sobre los materiales con otros métodos, por ejemplo
oxidando su superficie son la punta de un AFM, como si de una litografía se tratara.
El grosor del trazo conseguido es de unos 10 nm
Fragmento de El Quijote
escrito sobre silicio. Las
letras son de óxido de
silicio y se consiguieron
con un AFM cuya punta
iba oxidando la
superficie de silicio