EL SER HUMANO Y LOS MATERIALES

CIENCIAS PARA EL MUNDO CONTEMPORÁNEO - 1º BACHILLERATO NOCTURNO
EL SER HUMANO Y LOS MATERIALES
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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» 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.
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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.
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