CIENCIAS PARA EL MUNDO CONTEMPORÁNEO - 1º BACHILLERATO NOCTURNO EL SER HUMANO Y LOS MATERIALES LOS PRIMEROS MATERIALES El hombre usa materiales desde hace unos dos millones y medio de años, de tal modo que las etapas de la Prehistoria se clasifican según los materiales utilizados. En la Edad de Piedra, se pasó del uso de lascas con filos cortantes a la aparición de hachas, flechas, lanzas, cuchillos y otras herramientas. Por otro lado, se desarrolló la alfarería, para fabricar recipientes y finalmente se inició la metalurgia, derivada del empleo de los minerales para decorar los objetos de barro. El descubrimiento del cobre fue casual, pues se producía como residuo en el horno cuando se utilizaban ciertos minerales para decorar la alfarería. Se vio que era un material menos frágil y al que se podía trabajar para fabricar todo tipo de objetos. Incluso se le podían mejorar sus propiedades al agregarle otro metal: el estaño, formando la aleación conocida como bronce, que funde a menor temperatura que el cobre y posee mayor tenacidad (resistencia a la deformación) y dureza, lo que le sirvió para sustituirle en la fabricación de armas y herramientas en la llamada Edad de Bronce, hasta unos mil quinientos años antes de Cristo. Lo que parecía un subproducto indeseable (escoria) de los hornos del cobre se supo trabajar golpeándolo en caliente hasta separar de la escoria un nuevo metal, el hierro, mucho más duro y con un punto de fusión por encima de 1500 ºC. Se podía moldear en caliente golpeándolo y fundir piezas para forjar objetos mayores y era un material muy abundante y más tenaz aún que el bronce. Dio paso a la Edad de Hierro. Sólo presentaba una desventaja: al ser atacable por la humedad no le permitía usarse en ornamentación. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES Las materias primas son los materiales extraídos de la naturaleza que sirven como base para obtener los materiales transformados, que son los utilizados en la fabricación de objetos o bienes de uso. Hay otro tipo de materiales, denominados sintéticos, que se obtienen mediante procesos artificiales de transformación, como los plásticos o algunas fibras textiles. A la hora de elegir el material adecuado para un determinado proceso de fabricación o transformación se tendrán en cuenta diferentes conceptos, como las propiedades del material, la forma de trabajarlo, su provisión, su precio y su impacto sobre el medio ambiente. LOS METALES: CLASIFICACIÓN Y EXTRACCIÓN Se hallan presentes en la corteza terrestre en forma de elementos químicos, cuyos átomos se unen por enlace metálico. Para explicar este enlace, el modelo de la nube electrónica afirma que sus átomos pierden los electrones de valencia, que pueden moverse libremente por toda la red metálica rodeando a los iones positivos, aprovechando los huecos que hay entre ellos. EL SER HUMANO Y LOS MATERIALES Página 1 CIENCIAS PARA EL MUNDO CONTEMPORÁNEO - 1º BACHILLERATO NOCTURNO Son sólidos, excepto el mercurio, muy densos. Poseen mucha conductividad térmica y elevada conductividad eléctrica debido a la gran movilidad de los electrones. Son dúctiles, es decir, forman fácilmente hilos, y maleables, o sea, extensibles en láminas mediante presión, gracias a la movilidad de los iones positivos que forman su estructura. Sus puntos de fusión cubren una amplia gama de valores, aunque son moderados o altos. Los más pequeños corresponden a los metales alcalinos, donde la intensidad del enlace es menor, y los más altos a los metales de transición, que pueden alcanzar los 1500 °C. Poseen alta resistencia mecánica y tenacidad. Los podemos utilizar en estado puro o en aleación y clasificar en metales férricos, los que contienen hierro y que dan lugar a los productos siderúrgicos como el acero, y metales no férricos, que a su vez se distinguen por su densidad en tres grupos: metales pesados (como el cobre, plomo, estaño, cinc, níquel, mercurio), metales ligeros (como aluminio y titanio) y metales ultraligeros (magnesio). La metalurgia es el conjunto de procesos y técnicas para la extracción de los metales que se encuentran en los yacimientos o minas. Del material original se separa la mena, es decir, el metal aprovechable, retirando la ganga (mineral no aprovechable). Las minas pueden ser subterráneas, que requieren la excavación de pozos y la construcción de galerías para extraer el mineral mediante perforación y voladura, o explotaciones a cielo abierto, es decir, en la superficie terrestre, que se estructuran en terrazas para favorecer el transporte y la extracción utilizando máquinas pesadas. USO DE LOS METALES El cobre es muy dúctil y maleable y excelente conductor lo que permite utilizarlo en la fabricación de cables y conductores eléctricos, cañerías y circuitos impresos, además de cómo componente en variadas aleaciones como el bronce y latón (con estaño y cinc, respectivamente). El bronce sirve para ornamentación, monedas, grifería y elementos mecánicos. El latón es muy usado en tornillería, piezas de maquinaria, construcción naval y orfebrería. El estaño es muy blando y funde a baja temperatura, por lo que se emplea en soldadura eléctrica y fontanería. La hojalata es hierro recubierto de estaño. El cinc resiste la oxidación y se utiliza en cubiertas de edificios, chapa galvanizada, canalones y tuberías. El aluminio es blando y fácil de trabajar y se usa puro o en aleaciones ligeras para fabricar estructuras de poco peso, pero muy resistentes, usadas en aeronáutica, automóviles, bicicletas, utensilios de cocina, latas de bebidas o papel aluminio. El acero es hierro con algo de carbono y algunos metales en cantidades minoritarias que le confieren diferentes propiedades. Se prepara en los altos hornos, es muy resistente y sirve de base para construir todo tipo de estructuras, piezas, herramientas y máquinas. EL SER HUMANO Y LOS MATERIALES Página 2 CIENCIAS PARA EL MUNDO CONTEMPORÁNEO - 1º BACHILLERATO NOCTURNO Las fundiciones son aleaciones de hierro con mayor contenido de carbono, poseen mayor resistencia a la corrosión y transmiten mejor el calor. No obstante, presentan una menor resistencia a los impactos, son poco dúctiles y difíciles de soldar. El titanio es tan duro como el acero, pero casi la mitad de ligero y muy resistente a la corrosión. Sin embargo, su obtención (por reducción química de sus compuestos) es costosa y por ello su empleo se limita a la fabricación de componentes de cohetes, a la industria aeronáutica y en medicina, pues no es tóxico para el ser humano, para construir implantes en odontología y clavos para reparar fracturas. NUEVOS MATERIALES La tecnología de los materiales es una moderna ciencia que empieza a hacer grandes progresos basados en el conocimiento de las propiedades físicas y químicas de las sustancias y que nos proporciona una amplia variedad de materiales como resultado de procesos de diseño con ayuda de la simulación por ordenador. Uno de los fenómenos de mayor aplicación es la piezoelectricidad, descubierto por Pierre Curie, que consiste en la aparición de cargas de signo contrario en las caras opuestas de ciertos materiales al someterlos a esfuerzos de tracción o compresión. Se utiliza desde hace tiempo en el funcionamiento de relojes de cuarzo, encendedores electrónicos, mecheros eléctricos, y actualmente en la fabricación de cerámica antideslizante para esquíes y en ortopedia. Los materiales superconductores pueden conducir la electricidad sin pérdidas de energía a bajas temperaturas y son diamagnéticos, por lo que se utilizan para equipos de resonancia magnética y en trenes de levitación magnética. Los superplásticos pueden sufrir grandes deformaciones sin rotura. Muchos materiales diseñados para el espacio han trascendido a la vida cotidiana, como distintos tipos de cerámicas y materiales porosos, estructuras laminares de aluminio, cobre y carbono, polímeros sintéticos, fibras de vidrio, etc. Las investigaciones en este campo buscan mejorar su resistencia a las durísimas condiciones reinantes fuera de la atmósfera con el fin de fabricar membranas protectoras, materiales ópticos muy precisos, lentes y espejos plegables para captar la energía solar, antenas plegables y las cubiertas de cohetes y naves espaciales. En los campos de la ingeniería y la construcción se utiliza el composite, un material constituido por fibras largas y rectas, situadas en una matriz que las mantiene unidas, consiguiendo mucha resistencia y poco peso. Se emplea en chasis de vehículos y aviones y en vigas para construcciones, como puentes, que han de soportar cargas muy elevadas. POLÍMEROS Existen muchos polímeros naturales conocidos y usados desde muy antiguo, como las resinas y gomas, además del caucho. Ahora bien, hacia 1830, Goodyear EL SER HUMANO Y LOS MATERIALES Página 3 CIENCIAS PARA EL MUNDO CONTEMPORÁNEO - 1º BACHILLERATO NOCTURNO desarrolló el proceso de vulcanización del caucho, que lo hizo muy resistente y le permitió emplearlo en la incipiente industria del motor, para los neumáticos. Desde finales del siglo XIX, con la invención del celuloide y la baquelita, y sobre todo a partir del primer tercio del siglo XX, se ha desarrollado el conocimiento de los polímeros sintéticos, unas estructuras macromoleculares formadas por la repetición de un monómero o molécula sencilla. Existe una multitud de ejemplos, como el PVC (policloruro de vinilo), polietileno, caucho sintético, silicona, teflón, fibras artificiales… que nos han servido para fabricar multitud de objetos de uso común, pero que al mismo tiempo nos crean el problema de la contaminación, pues la gran mayoría forman plásticos no biodegradables. Desde el punto de vista de su obtención los podemos clasificar en: » Polímeros naturales. Proceden de animales y vegetales. Son ejemplos la celulosa, seda, algodón, lana, almidón, proteínas, caucho natural, etc. » Polímeros artificiales. Se obtienen por modificación por métodos químicos de los naturales, como el caucho vulcanizado. » Polímeros sintéticos. Fabricados por reacciones de polimerización, como el nylon, PVC, metacrilato, melamina, etc. Sus principales propiedades son la plasticidad, elasticidad y resistencia mecánica, junto a su falta de reactividad química. Dependen del tipo de monómero y de su estructura interna, que suele ser amorfa, aunque en algunos casos son cristalinos, lo que les hace ganar resistencia mecánica y al calor, aunque pierden elasticidad. Todo ello nos permite conseguir un amplio abanico de materiales con propiedades diferentes que nos sirven para todo tipo de usos, como el PVC en la construcción, la baquelita en el recubrimiento de misiles, el caucho en los neumáticos o el nylon la industria textil y otros muchos plásticos derivados del petróleo para fabricar utensilios de uso cotidiano, como envases, juguetes, objetos de cocina. NANOTECNOLOGÍA Un campo novedoso es la nanotecnología, la ciencia que trata de la fabricación y control de estructuras y dispositivos de tamaño molecular. Tiene su origen en la síntesis del fullereno, una estructura de carbono con aspecto similar a un balón, a finales de los ochenta y su nombre hace referencia a las dimensiones que utiliza: el nanometro (10-9 m). Ya tienen aplicaciones los nanotubos de carbono, que sirven de refuerzo a otros materiales y en la formación de composites. Es una ciencia multidisciplinar incipiente, que involucra los conocimientos de todas las demás y en la que distinguimos tres ramas de investigación más importantes: » Nanotecnología seca, dedicada a las estructuras de carbono, a los semiconductores, autoensamblaje a nivel molecular, con aplicaciones en electrónica, óptica y magnetismo. EL SER HUMANO Y LOS MATERIALES Página 4 CIENCIAS PARA EL MUNDO CONTEMPORÁNEO - 1º BACHILLERATO NOCTURNO » Nanotecnología húmeda, centrada en sistemas biológicos en medio acuoso, como material genético y componentes celulares, y en organismos vivos a escala nanométrica. » Nanotecnología computacional, asistida por ordenador, para manipulación de átomos y simulaciones a escala nanométrica. Las aplicaciones más destacadas son los sistemas de almacenamiento de datos por nanoimanes, nanoordenadores y pantallas flexibles con nanotubos, y se trabaja por el desarrollo de las aplicaciones médicas (máquinas moleculares, anticuerpos, cirugía) y energéticas (colectores solares en órbita), en sus potenciales aplicaciones para el diseño de vehículos y estaciones espaciales o en la lucha contra la contaminación, entre otras muchas posibilidades. CONTROL DE LOS RECURSOS El uso que hagamos de cualquier tipo de recurso debe hacerse de modo que no hipotequemos a las generaciones futuras, es decir, basado en la sostenibilidad. Es evidente el aumento de la demanda energética en los países industrializados, así como de los bienes de consumo, agua y alimentos, debido a la explosión demográfica en todo el mundo. Por lo tanto, es necesario buscar soluciones como: » El desarrollo sostenible de la agricultura, ganadería y pesca, mejorando las técnicas de explotación y cultivo, combinar la agricultura y ganadería, establecer paros biológicos en la pesca y fomentar las piscifactorías. » Reducir el consumo y reciclar materiales básicos como el papel, metales, envases y vidrio. » Evitar el despilfarro de agua potable y desarrollar técnicas de aprovechamiento del agua marina. PERSPECTIVAS ACTUALES Dada la gran variedad que existe hoy día podemos decir que nos encontramos en la Edad de los Nuevos Materiales. Los factores que más han influido en el desarrollo de los materiales son la necesidad de ahorrar energía y de la protección del medio ambiente, las demandas del mercado moderno y la conveniencia de disminuir el consumo de materiales estratégicos, es decir, los que son escasos y esenciales para la industria actual y cuya producción está circunscrita a un pequeño número de países. En la obtención de nuevos materiales se admiten tres fases: aplicación de los conocimientos teóricos y experimentales de sus propiedades, búsqueda de técnicas de fabricación a gran escala e investigación de nuevas aplicaciones. En la actualidad son los polímeros y materiales compuestos los que presentan mayores posibilidades de futuro, sustituyendo a los metales pesados. Se buscan materiales en muchas líneas de desarrollo, como aleaciones ligeras resistentes a elevadas temperaturas, materiales amorfos, cerámicas conductoras, polímeros especiales y materiales compuestos. EL SER HUMANO Y LOS MATERIALES Página 5