Clasificación y Aplicaciones Innovadoras de Materiales: Desde lo Natural a la Nanotecnología

Clasificación y Aplicaciones de los Materiales

1. Materias Primas y Materiales Compuestos

Materia prima: Sustancia extraída directamente de la naturaleza, a partir de la cual 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.

Un mineral es una sustancia sólida compuesta que se da naturalmente en la corteza terrestre. En su composición hay siempre, al menos, un metal y un no metal.

Una mena es un mineral que contiene cantidades suficientes de metal con interés económico. En el caso del cobre, es rentable la producción cuando el mineral tiene más de un 0,5 % de cobre.

Composite: Palabra de origen inglés empleada para referirse a materiales compuestos por dos o más materiales con propiedades químicas o físicas muy diferentes, y que juntos forman una sustancia con propiedades diferentes a las de sus componentes por separado. Algunos ejemplos son la madera contrachapada o la poliamida. El material compuesto más antiguo que conocemos es el adobe, formado por barro y paja.

Aleaciones: Mezclas artificiales de dos o más elementos o compuestos químicos. Las aleaciones se elaboran para mejorar algunas de las propiedades físicas de los componentes, con el objetivo de formar una sustancia nueva adecuada a determinadas funciones. El bronce, por ejemplo, es una aleación formada por cobre y estaño, y otros metales como aluminio, cinc o fósforo en menor cuantía.

Compuestos químicos: Sustancia que no puede separarse en sus componentes por procedimientos físicos (filtración, decantación, destilación, etc.). Además, las propiedades físicas y químicas de un compuesto son diferentes a las propiedades de los elementos que lo forman; es una sustancia completamente diferente. Por ejemplo, las propiedades del yeso (que contiene calcio y azufre) son distintas de las del calcio o el azufre por separado.

Elementos químicos: Los elementos químicos son los ladrillos con los que está compuesta toda la materia. Se conocen 116 (en 2008), de los cuales solo 90 se encuentran en la naturaleza; el resto son elementos artificiales. Están clasificados por sus propiedades químicas en la tabla periódica de los elementos.

2. Clasificación de los Materiales

• Materiales naturales: Obtenidos directamente de la naturaleza (madera, granito, etc.).
• Materiales transformados: Se obtienen transformando algún material natural o mezclando varios (papel, caucho vulcanizado, cemento, acero, etc.).
• Materiales artificiales o sintéticos: Se obtienen como productos de procesos químicos o físicos (plásticos, fibras artificiales, etc.).
• Materiales reciclados: Obtenidos a partir de objetos del mismo material (papel, vidrio, etc.).

Problemas asociados a la fabricación de papel:

El proceso de fabricación de papel requiere árboles, agua y energía, generando varios problemas ambientales:

• Deforestación por la tala indiscriminada de árboles. En España se necesitan unos 3 millones de m³ de madera cada año.
• Enorme cantidad de agua necesaria para la separación de la celulosa de la lignina:
  • 35 m³ por tonelada de cartón.
  • 30 m³ por tonelada de papel de periódico.
  • 60 m³ por tonelada de papel higiénico o pañuelos desechables.
  • 200 m³ por tonelada de papel para impresión y escritura.
• Contaminación de ríos por el uso de compuestos de azufre, cloro u ozono en los procesos de blanqueado de la pulpa de celulosa.
• La energía empleada para mover las máquinas, calentar el agua, etc., supone el 4% del total de la energía eléctrica generada en España.

3. Nanomateriales y Carbono

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 se utiliza en la elaboración de objetos de uso cotidiano en deportes, medicina, construcción de puentes y aviones (diamante, grafito, fibra de carbono).

A nivel nanoscópico, se ha obtenido el fulereno (C60), con forma de balón de fútbol, que podría contener medicamentos y liberarlos cerca de células infectadas. También se le puede dar forma de tubo (nanotubos). Se ha conseguido una longitud de 18 mm. Estos nanotubos pueden convertirse en nanocables si se combinan con un conductor (boro) o nanointerruptores con un semiconductor.

Aplicaciones:

• 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).

4. Plásticos y Polímeros

Los plásticos son materiales artificiales obtenidos a partir de pequeñas moléculas denominadas monómeros, que se unen para formar moléculas más complejas (polímeros) mediante un proceso llamado polimerización. La plasticidad es la propiedad que permite dar forma fácilmente a estos materiales.

Clasificación de los polímeros (según indicador numérico industrial):

• Polietileno tereftalato (PET/PETE)
• Polietileno de alta densidad (PEAD/HDPE)
• Policloruro de vinilo (PVC)
• Polietileno de baja densidad (PEBD/LDPE)
• Polipropileno (PP)
• Poliestireno (PS)

Nanociencia y Nanotecnología

Nanociencia: Disciplina que estudia los fenómenos a escala nanométrica (1 nanómetro (nm) = 10^-9 metros).

Nanotecnología: Ciencia aplicada dirigida al diseño, fabricación y aplicación de materiales y aparatos a escala nanométrica, empleando microscopios de efecto túnel.

• Permite fabricar máquinas de tamaño microscópico.
• Permite diseñar nuevos materiales con comportamientos específicos en situaciones concretas.

Materiales Avanzados del Siglo XXI

• Materiales cerámicos avanzados: Investigación enfocada en mejorar sus propiedades y disminuir su fragilidad e impurezas.
• Materiales poliméricos avanzados: Fibras de alto módulo con propiedades mecánicas extraordinarias, obtenidas mediante el ordenamiento de cadenas de polímero en una misma dirección.
• Nuevos materiales metálicos: Soportan condiciones extremas. Incluyen nuevos aceros microaleados y aleaciones de aluminio (aplicación en transporte aeroespacial, por ejemplo, Airbus).
• Biomateriales: Base del desarrollo de técnicas y aplicaciones médicas. Pueden ser de origen metálico, cerámico o polimérico, y se utilizan en prótesis.
• Superconductores: Materiales con alta conductividad eléctrica y térmica.
• Materiales inteligentes: Derivados de la nanotecnología, responden de forma controlada y reversible a estímulos externos (físicos o químicos).

5. Aplicaciones de los Nanomateriales

Los nanomateriales son materiales con propiedades morfológicas menores a un micrómetro en al menos una dimensión. Aunque no hay consenso sobre su tamaño exacto, se suele considerar el rango de 1 a 100 nm.

Aplicaciones de la Nanotecnología:

• Aplicaciones eléctricas: Baterías flexibles de nanotubos de carbono, LED.
• Aplicaciones electrónicas: Nanochips de unos 500 nm (0,0005 mm).
• Aplicaciones en medicina y farmacia: Investigación con medicamentos en el interior de fulerenos (buckyballs).
• Aplicaciones textiles: Fabricación de tejidos que repelen líquidos (fibras con nanotubos).
• Aplicaciones en arquitectura y urbanismo:
  • Recubrimientos que repelen la pintura de grafitis.
  • Vidrios fotocrómicos que cambian de color con la luz (control de temperatura interior y protección UV e IR).
  • Cerámica: sanitarios que repelen líquidos.