Tema 8 Nuevas necesidades, nuevos materiales
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Este documento trata sobre los materiales, incluyendo su definición, propiedades, orígenes y tipos. Explica que los materiales se obtienen a partir de la combinación de elementos químicos y materias primas extraídas de la naturaleza. También describe materiales comunes como el acero, el papel y los plásticos, así como nuevas tecnologías a nivel nanométrico y sus potenciales aplicaciones.
Tema 8 Nuevas necesidades, nuevos materiales
- 1. TEMA 8 NUEVAS NECESIDADES, NUEVOS MATERIALES 1. DE MATERIA A MATERIALES. 2. ¿DE DÓNDE OBTENEMOS LOS MATERIALES? 3. LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. 4. LA MATERIA PRIMA. 5. NATURAL Y ARTIFICIAL. 6. NANOCIENCIA Y NANOTECNOLOGÍA. IES Jiménez de la Espada Dpto. Física y Química Fuentes: CMC Santillana, scrib.com
- 2. 1.DE MATERIA A MATERIALES. Los elementos químicos son los “ladrillos” que constituyen toda la materia. Los 116 elementos conocidos se recogen y organizan en la tabla periódica en función de sus propiedades. De ellos 90 son naturales y se han ido formando en: Primeros instantes del universo: Hidrógeno, Helio y Litio. Interior de las estrellas por fusión del Hidrógeno y Helio: Carbono, Nitrógeno, Oxígeno…, hasta el Hierro. Explosiones de supernovas: El resto, como el Oro y la Plata. Los elementos se combinan para formar los compuestos químicos (de propiedades diferentes a los elementos). Los elementos y/o compuestos se pueden mezclar para mejorar algunas de sus propiedades y adecuarlas a determinadas funciones. Ej: El Cobre y el Estaño se mezclan para obtener la aleación denominada Bronce. A su vez, los materiales se pueden mezclar para dar lugar a un material de propiedades distintas a los primeros que denominaremos composite. Ej: Adobe de barro y paja, madera contrachapada o poliamida.
- 3. 2. ¿DE DÓNDE OBTENEMOS LOS MATERIALES? 3. LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. Se denomina material a la materia preparada y disponible para elaborar cualquier producto. Existen diversos tipos según procedencia: Naturales (obtenidos de la naturaleza): madera, granito. etc. Transformados (obtenidos por transformación o mezcla de material natural): papel, caucho vulcanizado, cemento, acero, etc. Artificiales o sintéticos (obtenidos de procesos químicos o físicos): plásticos, fibras artificiales, etc. Reciclados (a partir de objetos del mismo material):
- 4. 4.LA MATERIA PRIMA. Es toda sustancia que se extrae directamente de la naturaleza, a partir de la que se obtienen los materiales. La obtención de materias primas es un factor que afecta a la economía y puede acarrear problemas políticos, sociales y medioambientales. 4.1. DE LA MATERIA PRIMA AL MATERIAL. La naturaleza de los distintos tipos de materia prima es el factor principal a tener en cuenta a la hora de fabricar diversos materiales. * Unos de los materiales más utilizados son los metales. Se obtienen a partir de minerales extraídos de la mina, y de los que se separa la ganga de la mena. Los metales se obtienen mediante dos procesos: • reducción por calor (Fe, Zn, Ag) • electricidad(electrólisis) (K, Na, Li, Ca, Mg, Al)
- 5. 4.1.1. EL ACERO. El acero es la aleación de hierro con carbono. Es un material muy versátil. La aleación con otros metales cambia algunas de las propiedades del acero y permite ajustarlas al uso concreto que se le quiera dar. 4.1.2. EL COLTÁN. Es la mezcla de dos minerales: La columbita (óxido de niobio con hierro y magnesio) y la tantalita (óxido de tántalo con hierro y magnesio) que se encuentran juntos como parte de ciertos granitos; a partir de ellos se obtienen: – El Niobio (Nb): fabricación de imanes de alto poder magnético, clave del desarrollo de micromotores discos duros), altavoces y auriculares potentes y precisos. Tiene aplicaciones para ordenadores, industria aeroespacial, levitación magnética o implantes médicos
- 6. – El Tántalo (Ta): fabricación de condensadores, está presente en todas las baterías de móviles o aparato con baterías recargables. Su valor es muy alto, por lo que controlar su producción es un negocio rentable para gobiernos, distribuidores y fabricantes. Sin embargo a la República Democrática del Congo le ha traído muchas complicaciones, debido a las condiciones en las que se realiza la explotación minera. Así, a los problemas sanitarios se les han sumado los legales (utilizando mano de obra en condiciones de semiesclavitud), consecuencias medioambientales (acoso a las poblaciones de gorilas y elefantes), etc… 5. NATURAL Y ARTIFICIAL. A pesar de la dificultad para establecer la frontera entre natural y artificial, teniendo en cuenta que la materia prima a partir de la que fabricamos cualquier objeto proviene de la naturaleza podríamos decir que todo es natural. No obstante, solemos decir que un material artificial es aquel cuyas materias primas han sido elaboradas y procesadas a partir de otros materiales. * Uno de los materiales naturales más conocidos es el PAPEL. La clave en la fabricación de papel está en la obtención de celulosa, que es un tipo de fibra natural de los árboles, caracterizada por su flexibilidad y capacidad para compactarse.
- 7. Entre los problemas asociados a la fabricación de papel encontramos los siguientes: Problemas asociados Soluciones Deforestación: 3 millones de m3 de madera por año en España - Plantación y Tala controlada, - Uso de materias primas diferentes( cáñamo, lino o algodón) - Reutilización fibras de papel usado. Agua gastada 35 m3 /Tm de cartón 200m3 /Tm papel escritura Contaminación ríos (Azufre, Cloro, Ozono para el blanqueado) Ciclos cerrados de agua Energía 4% de la energía generada en España Reciclar papel consume menos.
- 8. * Por otro lado, entre los materiales artificiales más relevantes encontramos los PLÁSTICOS. La plasticidad es una propiedad de los materiales que permite que se les dé fácilmente la forma que convenga. Los plásticos se obtienen artificialmente a partir de pequeñas moléculas denominadas monómeros (iguales o distintos) que se van uniendo en un gran número para formar moléculas mucho más complejas (polímeros) mediante un proceso denominado polimerización. Los plásticos se clasifican según distintos criterios, pero a nivel industrial podemos distinguirlos a través de un indicador numérico que forma parte del producto final: 6. NANOCIENCIA Y NANOTECNOLOGÍA. La NANOCIENCIA es la disciplina que estudia todos los aspectos científicos a tamaño nanométrico. 1 nanómetro (nm) = 10-9 metros La NANOTECNOLOGÍA es la Ciencia aplicada dirigida al diseño, fabricación y aplicación de materiales y aparatos a escala nanométrica empleando los microscopios de efecto túnel. -Podremos fabricar máquinas de tamaño microscópico. -Podremos diseñar nuevos materiales que se comportarán de una determinada manera únicamente en una situación concreta.
- 9. * Entre los elementos más importantes de la industria nanoscópica se encuentra el carbono. El carbono es el elemento más importante de nuestra existencia, es muy abundante en la naturaleza y hemos aprendido a elaborar un buen número de objetos de uso cotidiano en deportes, medicina, construcción de puentes y aviones... (diamante, grafito, fibra de carbono). *A nivel nanoscópico ya se ha obtenido el fulereno (C60) en forma de balón de fútbol que podría contener las dosis de un determinado medicamento que soltaría en las proximidades de las células infectadas. * También se le puede dar forma de tubo (nanotubos). Hasta ahora se ha conseguido una longitud de18 mm. Estos se pueden convertir en nanocables si se combinan con un conductor (Boro) o nanointerruptores con un semiconductor. Ya se están dando los primeros pasos para explotar este tipo de tecnologías, desarrollando: * APLICACIONES ELÉCTRICAS. - Batería flexible de nanotubos de carbono. Mezclando nanotubos con papel. Baterías de papel enrollables que no se pegan. - LED. Sustituto de bombillas: más duraderas, eficaces, menor consumo y más rápidas.
- 10. * APLICACIONES ELECTRÓNICAS. - Nanochips de unos 500 nm (0,0005). * APLICACIONES MEDICINA Y FARMACIA. - Investigación con medicamentos en el interior de los fulerenos (buckyballs). * APLICACIONES TEXTILES. - Fabricación de tejidos que repelen los líquidos (fibras con nanotubos) (tapicerías...) * APLICACIONES ARQUITECTURA Y URBANISMO. - Recubrimientos que repelen la pintura de los graffitis. - Vidrios fotocrómicos que cambian el color con la luz incidente (control Tª interior de habitaciones y protección frente a rayos UV e IR). - Cerámica: sanitarios que repelen los líquidos. Estamos en los inicios pero dentro de 5 a 15 años se espera una gran explosión, lo que supondrá: una transformación de los sistemas de producción, aceleración de la producción, afectará a todas las industrias, materias primas más baratas y minimización de costes de producción, es decir, una transformación global.