MATERIALES MODERNOS

La ciencia de los materiales estudia la relación entre la estructura de un material con sus distintas propiedades (mecánicas. eléctricas, térmicas, ópticas, etc).

Una forma de clasificar los materiales es según la naturaleza de los enlaces que predominan cuando están en estado sólido. Así, encontramos los siguientes materiales fundamentales:

• Metales y aleaciones
• Semiconductores
• Polímeros
• Vidrios y cerámicos

La combinación de al menos dos de estos materiales en un único producto recibe el nombre de material compuesto. Un material compuesto exhibe propiedades combinadas de los componentes que lo forman. Un ejemplo es el concreto armado, donde tenemos el cemento (un cerámico) y  varas de acero (aleación metálica).

 Metales y aleaciones: Son materiales de origen mineral que están compuestos por uno o más elementos metálicos, pudiendo contener elementos no metálicos en menores proporciones.

 Metal puro: Es el formado por un solo elemento químico. Rara vez se pueden obtener directamente de la naturaleza, para aislarlos a partir de los minerales que los contienen, se necesitan procesos de transformaciones complejas.

Propiedades de los metales:

• Tienen una gran dureza
• Se pueden trabajar mediante procesos de fundición
• Son buenos conductores del calor y la electricidad
• Su resistencia mecánica permite utilizarlos en aplicaciones estructurales sometida a grandes esfuerzos.

Aleaciones: Son combinaciones de varios metales, en la que también pueden participar pequeñas cantidades de elementos no metálicos

Ejemplos: Aleaciones férreas: El acero inoxidable (hierro, carbón y bromo). Aleaciones no férreas: las de cobre y las de aluminio.

 Semiconductores:

Son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante: El semiconductor más utilizado es el  silicio (Si), que es el elemento más abundante en la naturaleza, después del oxígeno. Otros semiconductores son el germanio (Ge) y el selenio (Se).

Polímeros: Los polímeros se forman por la unión de un gran número de moléculas de bajo peso molecular, denominadas monómeros. Los plásticos son ejemplos de polímeros.

Un polímero, por tanto, es un compuesto orgánico, que puede ser de origen natural o sintético, con alto peso molecular, formado por unidades estructurales repetitivas llamadas monómeros.

En la vida diaria le damos el nombre general de “plástico”, porque los plásticos que usamos son polímeros. Sin embargo, debemos tener claro que existen otros tipos de polímeros que no necesariamente tienen el aspecto de un “plástico” común.

 Características generales de un polímero

Bajo punto de fusión, que permite procesarlo fácilmente para darle forma.

Baja densidad, los cual los hace útiles en la industria como la de automóviles por ser productos ligeros.

Pobre conductividad eléctrica y térmica, permite usarlos como aislantes.

Poca reactividad química, permite tenerlos en contacto con alimentos, sin riesgo.

Representación de los polímeros

Los polímeros son macromoléculas, formadas por la unión de muchas unidades pequeñas, las cuales se llaman unidades repetitivas.

Analicemos la estructura del polietileno, el polietileno con que se hacen las bolsas de plástico. Este polímero se forma a partir de etileno según la siguiente reacción:

El producto final polietileno muestra muchas unidades repetitivas similares. Sin embargo, no es necesario dibujar todas las unidades repetitivas, sino sólo una de ellas e indicar que ésta se repite muchas veces. Así en el caso del polietileno podemos representar el polímero así:

Los corchetes nos indican que la unidad que está adentro es la que se está repitiendo, y el subíndice “n” nos dice que se repite “n” veces.

De forma similar, podemos representar el policloruro de vinilo, este polímero de forma a partir del cloruro de vinilo:

Nuevamente, la estructura dentro de los corchetes es la que se repite indefinidamente.

 Clasificación de los polímeros:

Según su origen:

Naturales

Semisintéticos

Sintéticos

 Según su estructura:

Lineal

Ramificado

Según su comportamiento térmico:

Termoplásticos

Termoestables

Según su origen

Polímeros Naturales: Existen en la naturaleza como tales. Las biomeléculas pueden ser consideradas polímeros naturales. Ejemplo: el caucho.

Polímeros semisintéticos: Han sido obtenidos mediante la transformación de un polímero natural. Ejemplo: el caucho vulcanizado, componente de las llantas, se produce al hacer reaccionar caucho con azufre, a altas temperaturas.

Polímeros sintéticos: Son obtenidos industrialmente haciendo reaccionar al monómero correspondiente. Ejemplos de polímeros sintéticos son: el polietileno, nylon o poliestireno.

Según su estructura

Polímero lineal: Los monómeros se enlazan entre sí formando una cadena carbonada continua. Ejemplo: El polietileno componente de las bolsas de plástico.

Polímeros ramificados: Se encuentran grupos voluminosos fuera de la cadena principal. Ejemplos: Policloruro de vinilo y el polipropileno

Según su comportamiento térmico:

Polímeros termoplásticos: Son los polímeros que pueden moldearse al calentarse. Ejemplos: Polietileno, el polipropileno, polietilenreftalato (PET, con el que se hacen las botellas de plástico)

Polímeros termoestables: Son aquellos que al calentarse, se descomponen químicamente. Ejemplo: La baquelita se usa para fabricar asas para ollas.

 Cerámicos y Vidrios

Es todo material inorgánico formado por la acción del calor.

Los materiales cerámicos son sólidos, formados principalmente por un metal y un no metal, y la unión entre los átomos se da mediante iónico o covalente. Se forman calentando el compuesto químico y luego dejándolo enfriar.

Dependiendo del tipo de enfriamiento que sufra, se pueden tener materiales cristalinos (moléculas ordenadas), o materiales amorfos (moléculas desordenadas).

 Los materiales cerámicos amorfos se conocen con el nombre de “vidrios”. El vidrio es un producto inorgánico fluido (a altas temperaturas, cercanas a 1500ºC) que ha sido enfriado hasta un estado sólido, donde se le ha dado una determinada forma. El vidrio común se forma por el calentamiento de arena se sílice (SiO₂), carbonato de calcio (CaCO₃) y carbonato de sodio (Na₂CO₃)

Los cerámicos cristalinos, se producen de manera similar a los vidrios, pero en este caso el enfriamiento es muy lento, lo cual permite que sus átomos se ordenen en cristales regulares. Ejemplo: Los platos de porcelana. Para ellos se prepara una pasta de una mezcla de minerales (feldespato y cuarzo), la cual se moldea según la forma deseada. Luego, tras un proceso de doble cocción, moldeado y enfriamiento, se obtiene el producto deseado.

Propiedades de los materiales cerámicos:

• Gran dureza
• Resistencia a altas temperaturas y choques térmicos
• Resisten a los componentes corrosivos y no se oxidan
• Son muy frágiles (debido a la fuerte unión entre sus átomos)