Per Carlos Miravete, Jacob Bolea i Jaume Planes
La ciència dels materials
Els nous materials tenen un gran impacte en la millora de la qualitat de vida. Els materials han estat relacionats amb el desenvolupament econòmic i social dels humans. L’estudi de la prehistòria s’ha dividit en periòdes segons el metall o aliatge que es feia servir.
Anomenem ciència dels materials la branca de la ciència i l’enginyeria que estudia les relacions entre estructura dels materials i les seves propietats i també les tècniques de processament i el seu comportament.
La ciència dels materials és un exemple de ciència interdisciplinaria perquè necessitem identificar les seves propietats físiques, químiques i també la compatibilitat biològica.
Les propietats físiques són les que podem mesurar o identificar sense que cambiï la naturalesa del material, per exemple la densitat, la conductivitat tèrmica, la resistivitat tèrmica o la permeabilitat magnètica entre altres.
L’estructura: els nivells atòmics, micro i macro
Les propietats i el comportament dels materials i la forma de processar-los depenen de la seva estructura (escala atòmica).
- Quins àtoms o mol·lècules els conformen.
- Amb quin tipus d’interaccions es relacionen aquests àtoms o mol·lècules.
- Quins tipus d’organització produeixen cristal·lina o amorfa.
- També depenen de la macroestructura i microestructura.
Els defectes juguen un paper molt important en els materials, com ara els elements intersticials (àtoms intermedis), les vacants (falta d’un element) i les subtitucions (àtoms substituïts per altres).
Tipus de materials
Podem classificar els materials segons el seu origen: natural i artificial, i en funció de la seva estructura i propietats, com per exemple, els metalls, les ceràmiques, els materials compostos i polímers.
Els metalls
Els metalls són elements quimics caracteritzats per ser electropositius. Posseeixen una xarxa cristal·lina d’ions positius envoltats d’electrons lliures.
Característiques:
- Bons conductors de calor i electricitat
- Densitat alta
- Sòlids a temperatura ambient
- Punt de fusió alt
- Reflecteixen la llum
- Durs
- Dúctils
- Mal·leables
- I alguns magnètics
Els metalls poden formar aliatges entre ells, i combinar-se els components metàl·lics, i així, se’n poden combinar les propietats.
Els nous materials metàl·lics
La innovació més interesant que s’ha produït en el món dels metalls ha estat la producció d’aliatges amb memòria de forma. Aquests aliatges tenen la capacitat de tornar a la forma original, perquè les deformacions són desplaçaments de la xarxa cristal·lina del metall i no cambis irreversibles.
Les ceràmiques
Les ceràmiques són un grup de materials tan divers que es fa difícil caracteritzar-les amb una definició, són generalment cristal·lines que és amorf amb enllaços iònics o covalents. Les seves característiques varien segons el tipus:
- Argiles: podem distinguir entre estructurals i porcellanes, formats per sílice, alúminia i impureses.
- Ciments: el ciment es produeix per escalfament a 1400Cº en un forn giratori d’una mescla d’argila i pedra calcària. El producte obtingut es tritura molt fi i es barreja amb guix (el ciment pot ser hidràulic, es pot utilitzar en estructures submarines).
- Refractaris: formats per alumina, sílice, i magnesia. Poden estar barrejats amb: argila, àcids o bàsics. Les seves característiques poden suportar temperatures de 1580Cº fins a 1650Cº.
- Abrasius: estàn formades a partir de: silici, alumina fosa, o corindó, carbur de tungstè, i òxid de zirconi. Es caracteritzen per tenir una resistència al desgast, ser més tenaços i refractaris que els metalls.
Els nous materials ceràmics
“Les ceramiques intel.ligents” es fan servir en sensors i actuadors, alguns reptes de futur son les membranes ceramiques i hiperfiltradores, i les ceràmiques superdures.
Els polimers
Cadascuna de les mol.lecules d’etile amb l’enllaç trencat s’anomena monomer, quan aquest s’uneix entre si forma una mol.lecula anomenada polimer conegut amb el nom de polietile.
Es poden clasificar en:
- Naturals (vegetals o animals)
- Artificials (s’obtenen industrialment)
- Sintetics (s’obtenen industrialment a partir de components elementals)
Caracteristiques, son la seva facilitat per elaborar peces acabades a partir de les materies primes, la seva lleugeresa, la seva resistencia als agents atmosferics i la resistencia a l’elctricitat.
Les caracteristiques dels polimers com el color si son retardadors a la flama, mes facils d’elaborar i millorar altres caracteristiques tenciniques utilitzem els aditius.
Els biomaterials
Els biomaterials son els materialsd que han de ser compatibles amb teixits o orgaismes vius, ja que hi han de interacturar.
La fibra de carboni
La fibra de carboni es un material compost fabricat a partir d’una matriu de polimer reforçada amb fibres de carboni, esta fetade milers de filaments de carboni entre 5 i 8 micrometres de diametre, per formar una mena d’entreamat o teixit d’alta resistencia, lleugeresa i força elasticitat, la matriu polimerica assegura que sigui un bon aillant termic amb propietats ignifugues, l’unic inconvenient alt cost de fabricacio, fins a 10 vegades mes que l’acer.
Les fibres òptiques
Les fibres òptiques estàn fetes generalment de vidre i a vegades plàstic. Les seves propietats són bon aïllament tèrmic i elèctric, suport d’altes temperatures, transparència, baix cost, i abundància de les matèries.
La característica principal de les fibres òptiques és que condueixen la llum sense casi atenuació, el fenòmen físic que segueixen és la relfexió total.
Són més lleugers, flexibles, barats i no s’oxiden. L’aplicació més senzilla de les fibres òptiques és la transmissió de llum, també tenen una àmplia varietat d’usos com a sensors que inclouen des de termòmetres fins a giroscopis.
Diodes làser i LED
Aquests dispositius ceràmics semiconductors emeten llum quan sel’s connecta un corrent elèctric en una direcció i no deixen passar la corrent quan es connecten en una direcció contrària.
La nanotecnologia
Els nous materials de què hem parlat fins ara tenen en comú que se sintetitzen variant-ne la composició interna, però a escala entre l’atòmica i la mol·lecular (la nanotecnologia).
L’escala nano, diu que un nanòmetre (nm) que equival 1· -10000000000 metres, en aquesta escala els objectes són molt difícils de manipular sobretot perquè les lleis de la fisica i la quimica que en descriuen el comportament varien.