Nuevos materiales

Ramón M. Sola JábegaI.E.S. Manuel de Falla. Maracena. (Granada).

oLos materiales son sustancias que nos permiten fabricar objetos. Atendiendo a su procedencia pueden ser:

oMateriales naturales.oMateriales transformados.oMateriales sintéticos.

Las propiedades a tener en cuenta a la hora de elegir un material son:

Según su composición los materiales se encuadran en algunas de las siguientes categorías:•Metálicos

•Pétreos y cerámicos.

No aglomerantes. ( Piedra, arena, grava)

Aglomerantes ( Cemento de Portland, mortero, yeso)

Cerámico ( Arcilla, loza, gres, porcelana)

Vítreos

•Textiles.

• Animales ( Lana, Seda, Cachemira, Alpaca)

• Vegetales ( Algodón, Cáñamo, Lino)

• Minerales (Amianto, asbesto, fibra de vidrio, plata, oro)

• Artificiales.

• Transformados ( Rayón, acetato de celulosa ).

• Sintéticos (Poliesteres, poliamidas (Nylon), poliacrilonitrilo (Leacryl), Elastanos (Lycra) )

•Madera y derivados.

• Duras (Haya, roble, cerezo, caoba)

• Blandas ( Pino, abeto, chopo)

• Derivados ( Aglomerados, contrachapados, tablex).

•Plásticos, Polímeros de moléculas orgánicas. Pueden ser:

• Termoplásticos : Resinas celulósicas (rayon, celuloide), Polietilenos(PVC), Polivinilos, metacrilato.

• Termoestables: Baquelita, Poliésteres, resinas epoxi.

• Elastómeros : Caucho, látex, neopreno, lycra.

Al hablar de “nuevos materiales” nos referimos a sustancias con propiedades antes nunca vistas, que proporcionan nuevas posibilidades tecnológicas.

Polímeros plásticos

Los plásticos son siempre un tipo de moléculas gigantes que se denominan “ polímeros” . Son moléculas que se forman por la unión de millones de otras moléculas más pequeñas que se llaman “monómeros”.

Los polímeros son largas cadenas que pueden o no tener ramificaciones.

Existen tres tipos fundamentales de plásticos:

•A) Termoplásticos: Pueden moldearse a una cierta temperatura. Al enfriarse y volver a calentarse pueden moldearse nuevamente. Esto es debido a que no hay conexión entre las cadenas de polímero.

Son termoplásticos:Polietileno (PE) ( uso general).

Polipropileno (PP) (Envases).Tereftalato de polietileno (PTFE) ( envases para alimentos y bebidas)Poliestireno(PS) (Vasos y platos desechables)Poliestireno expandido (EPS) ( embalajes y aislantes térmicos)Cloruro de polivinilo (PVC) ( Tuberías, cortinas de baño, manteles, juguetes, dependiendo de los aditivos).Politetrafluoretileno (PTFE , teflon). ( Recubrimientos antiadherentes, prótesis quirúrgicas).Policarbonato (PC) ( Láminas transparentes)

•B) Termoestables: Una vez moldeados y enfriados no pueden volver a moldearse de nuevo debido a los enlaces que se establecen entre cadenas.

C) Elastómeros.

Las uniones entre cadenas se rompen y se establecen de nuevo de forma continua. Son polímeros elásticos.

Como ejemplo de plásticos termoestables podemos citar:Poliester. ( Piscinas prefabricadas, embarcaciones)Bakelita (Industria eléctrica, menaje de cocina)Siliconas ( tetinas de biberón y otras “tetinas”)Resinas epoxi. Componentes electrónicos encapsulados, adhesivos)Resinas de Melamina. ( Recubrimientos de muebles)

Composites

Los composites son materiales que utilizan un concepto que viene siendo usado desde la antigüedad: se trata de usar mezclas de sustancias que, sin reaccionar químicamente presentan propiedades que no se encuentran en ninguno de sus componentes por separado. Estos componentes son de dos tipos: los de cohesión y los de refuerzo. Los componentes de cohesión envuelven y unen los componentes de refuerzo (o simplemente refuerzos) manteniendo la rigidez y la posición de éstos . Un ejemplo lo podemos encontrar en los cimientos de los edificios: hormigón reforzado con una matriz de acero.

El adobe, formado por arcilla sin cocer y paja, es el composite más antiguo que conocemos y aún hoy se sigue utilizando en la construcción de viviendas. Macroscópicamente, la arcilla (cohesión) se distingue de la paja (refuerzo), pero la mezcla heterogénea tiene unas propiedades mecánicas mejores que las de sus respectivos componentes individuales.

Modernamente los composites se utilizan en muchos campos, principalmente en odontología, como material para la obturación dental y en aeronautica. En el primer caso, como componente se cohesión se utilizan resinas sintéticas (bisfenol glicidil metacrilato), mientras que como fase de refuerzo se utiliza polvo de cuarzo o silicatos de aluminio.

Las fibras de seda de araña constituyen un material enormemente atractivo. Su elevada resistencia y deformabilidad les permite almacenar gran cantidad de energía de deformación, que pueden después disipar, de modo que son especialmente apropiadas para absorber impactos . Además, el estudio de las propiedades de las fibras de seda de araña y su relación con la microestructura tiene el interés de servir como guía en el diseño y producción de futuros materiales biomiméticos.

La especie utilizada es Argiope trifasciata, que tiene como hábitat natural las costas mediterráneas españolas.

BiomaterialesLos biomateriales son sustancias de interés que se encuentran en los seres vivos, o bien son una copia de éstas.

El mejillón comienza a despuntar como referencia a la hora de fabricar nuevos biomateriales con propiedades mecánico-elásticas comparables a las de los mejores materiales plásticos .Estos bivalvos desarrollan un pedúnculo través del cual se unen al sustrato sobre el que viven. Este pedúnculo, de unos 2 cm de longitud, está formado por cientos de hebras de colágeno recubiertas por una cutícula protectora. Esta cutícula protege al pedúnculo de la abrasión, del ataque de depredadores y de infecciones. Se trata de una fina nanoestructura, de entre 2 y 4 micras de espesor, compuesta por proteínas que, en su conjunto, se conocen como mfp-1 por las iniciales de su denominación en ingles (mussel foot proteins).

La propiedad más llamativa de estas proteínas es su capacidad de deformación, que puede llegar hasta el 170% en Mitillus Galloprovincialis, la especie de mejillón habitual en las costas gallegas.

El aerogel es uno de los nuevos materiales más prometedores, incluso por su aspecto nebuloso. Entre sus propiedades se destacan el hecho de ser casi tan ligero como el aire y al mismo tiempo muy resistente, así como su sorprendente capacidad como aislante térmico, lo cual lo vuelve sumamente atractivo para diversas aplicaciones. Su composición es carbono, silicio y diferentes metales, aunque la mayor proporción del compuesto (hasta el 98%) siempre es aire.

Materiales cerámicos.

Panel de placas de aerogel utilizado por la sonde Philae para recolectar partículas de polvo de la cola del cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko.

Materiales con propiedades eléctricas.La propiedad más importante de ujn material en cuanto a electricidad es la conductividad. A este respecto los materiales se clasifican en:

oConductores. Si pueden conducir la corriente con resistencia moderada para cualquier valor de diferencia de potencial.

oAislantes (dieléctricos). Cuando sólo conducen la corriente para valores muy altos de ddp.

oSuperconductores: Son los materiales que en determinadas condiciones pueden conducir la corriente con resistencia prácticamente nula.

oSemiconductores: Cuando sólo presentan resistencia baja por encima de un determinado valor (bajo) de ddp. Se utilizan básicamente para fabricar transistores miniaturizados (chips). Hasta ahora se ha venido utilizando el Si , que va siendo desplazado progresivamente por el coltán.

Los superconductores tienen numerosas aplicaciones. Actualmente, los imanes más potentes se fabrican con bobinas de cables superconductores (electroimanes superconductores). Este es el caso de los imanes que se utilizan en grandes instalaciones científicas, como los aceleradores de partículas, y en medicina, como los aparatos de resonancia magnética nuclear.

Columbita, (FeNb2O6) Tantalita, [(Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6]

Nuevos materiales magnéticos.

Las nuevas aleaciones de Nd/Fe/B permiten conseguir imanes de una potencia muy superior a los de hierro

El grafito pirolítico es un material de un elevado diamagnetismo, por lo que genera en su interior un campo opuesto al que se le aplica desde fuera. Por esta razón este material se repele con un imán hasta el punto de levitar, al poder compensar su propio peso.

Todos los materiales de carbón están compuestos de átomos de carbono. Sin embargo, dependiendo de la organización que presenten estos átomos de carbono, los materiales de carbón pueden ser muy diferentes unos de otros. Las estructuras a las que dan lugar las diversas combinaciones de átomos de carbono se denominan “formas alotrópicas” y pueden llegar a ser muy numerosas.

Los átomos de carbono poseen una estructura electrónica que les permite formar enlaces de tres formas diferentes, que llamaremos “hibridaciones sp, sp2 y sp3 “.

Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp dan lugar a cadenas de átomos, en las que cada átomo de carbono está unido a otro átomo de carbono por un enlace tripe y a un segundo átomo de carbono por un enlace sencillo. Este tipo de estructuras constituyen una forma alotrópica del carbono poco común: los carbinos. Los carbinos pueden presentar una estructura lineal o cíclica.

El Carbono. Formas alotrópicas

Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp2, cada átomo de carbono se une a otros 3 en una estructura plana que da lugar a la forma alotrópica del grafito, en el que los átomos de carbono forman un sistema de anillos que dan lugar a láminas paralelas entre sí.

Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp3 cada átomo de carbono se une a otros 4 formando una estructura tridimensional que da lugar a la forma alotrópica del diamante.

Clásicamente se consideraba que el carbono se presentaba en la naturaleza en dos formas alotrópicas: el grafito y el diamante. Sin embargo en los últimos años se has descubierto nuevas formas alotrópicas del carbono que presentan propiedades nuevas y en ocasiones sorprendentes.

Una forma alotrópica del carbono en la cual los átomos de carbono presentan una hibridación intermedia entre la sp2 y la sp3 es el fullereno. Este tipo de hibridación hace posible que los átomos de carbono puedan combinarse formando hexágonos y pentágonos en estructuras tridimensionales cerradas. El fullereno más común es el C60 (de 60 átomos de carbono) y es similar a un balón de fútbol, aunque también se han descrito otros fullerenos: C76,...C100, etc.

Fullerenos

Fullereno C-60

Fullereno C-540

Nanotubos

Una de las estrellas de la nanotecnología son los nanotubos, láminas de carbón que se cierran sobre sí mismos. Los nanotubos son los materiales conocidos más resistentes, superando hasta en 100 veces al acero. Además, son excelentes conductores eléctricos, cientos de veces más eficientes que el cobre.

Propiedades de los nanotubos•Son las estructuras de mayor resistencia, aunque su densidad es seis veces menor que la del acero. •Pueden transportar enormes cantidades de electricidad sin fundirse. •Gran elasticidad. Recuperan su forma después de ser doblados en grandes ángulos.

http://www.ugr.es/~gmdm/

La estructura de los nanotubos puede considerarse procedente de una lámina de grafito enrollada sobre sí misma. Dependiendo del grado de enrollamiento y la manera como se conforma la lámina original, el resultado puede llevar a nanotubos de distinto diámetro y geometría interna. Sdon posibles nanotubos de una o varias capas, abiertos o cerrados por un extremo por una semiesfera de fullereno.

Grafeno

El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en patrón regular hexagonal, similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor. Es muy ligero: una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan sólo 0,77 miligramos. Se considera 200 veces más fuerte que el acero y su densidad es

aproximadamente la misma que la de la fibra de carbono, y es unas cinco veces más ligero que el acero.