5. El avance de la nanotecnología.

Desde que se desarrollaron los primeros circuitos, la escala de integración ha llegado hasta límites inimaginables. Los circuitos electrónicos basados en el silicio están llegando a sus límites físicos, pero la nanotecnología está ya en condiciones de dar el siguiente paso: los transistores, los chips, pronto serán sustituidos por moléculas llamadas rotaxanos, que presentan las mismas propiedades eléctricas que los mencionados anteriormente.

Las investigaciones no han hecho nada más que comenzar, pero si se finalizaran con éxito, en un futuro no muy lejano podríamos contar con nanorrobots capaces de regular reacciones químicas, reparar defectos estructurales indetectables y, sobre todo, revolucionar el mundo de la biomedicina. 

4. El desarrollo tecnológico. Sus aplicaciones.

Las exigencias de nuestra actual sociedad industrial están estimulando la búsqueda de nuevos materiales que más adelante revolucionarán nuestras vidas. Algunas investigaciones ya están dando sus frutos, otras se encuentran en una situación de inmovilización.

Las cerámicas son el mejor ejemplo de materiales que han dado a los investigadores muchas decepciones y menos alegrías. Son materiales fáciles de moldear, los cuales, después de ser sometidos a una cocción adquieren una gran dureza y resistencia al calor.

Las arcillas son los materiales cerámicos por excelencia, utilizados para fabricar artículos de alfarería, ladrillos…etc. Estos tienen una gran capacidad para soportar altas temperaturas, por ello son utilizados en circuitos electrónicos y en las cubiertas protectoras de aeronaves como los trasbordadores espaciales. La industria automovilística ha diseñado prototipos de motores cerámicos, pero ningún motor cerámico ha sido capaz de pasar a la fase de producción en masa.

La industria aeronáutica es una de las principales demandantes de nuevos materiales. Los materiales compuestos (composites), cada vez están cobrando mayor importancia actualmente; son llamados así porque son los resultantes de una combinación de dos o más materiales. Las propiedades del material resultante son superiores a la simple suma de las de los materiales originales, esto es conocido con el nombre de sinergia.

La fibra de carbono, es un material compuesto. Su nombre se debe a que el producto final está compuesto por un 90% de carbono. Su proceso de fabricación es bastante complejo y muy costoso, pero su extraordinaria ligereza y resistencia puede llegar a ser mayor que la del acero, por ello justifican su elevado coste.

4.1. Moléculas a la carta: fullerenos y nanotubos.

El carbono es uno de los elementos más abundantes del planeta y componente básico de la química de la vida. Existe una propiedad natural llamada alotropía, que consiste en que un mismo compuesto puede presentar propiedades diferentes según la disposición de sus átomos o moléculas. El carbono se presenta de dos formas alotrópicas en la naturaleza: la más común es el grafito y la más rara y a la vez preciada es el diamante, que se caracteriza por poseer una dureza extraordinaria.

En 1985 fue descubierta por casualidad una molécula a la que denominaron 'futboleno' debido a que ésta presentaba un gran  semejanza  con un balón de fútbol; después pasó a denominarse 'buckminster fullereno' ya que su estructura molecular tiene una forma semejante a la cúpula geodésica diseñada por el arquitecto norteamericano Richard Buckminster Fuller. En poco tiempo, surgió una familia que recibía el nombre de 'fullerenos'. Los fullerenos, debido a que aún no se ha dado con el método para introducirlos a escala industrial, no tienen aplicaciones prácticas en la actualidad.

Si se eliminan los enlaces que forman pentágonos y solo dejamos los que forman hexágonos, el carbono no forma fullerenos. Esto se debe a que la molécula no llega a cerrarse, sino que forma una lámina parecida a la de un panal de abeja que puede enrollarse formando nanotubos. Si se consiguiese un proceso eficiente de fabricación, se podrían crear fibras de nanotubos de la longitud que se quisiese. El resultado podría ser un material miles de veces más fuerte que el acero y a su vez, infinitamente más ligero.

3. Materiales artificiales

La moderna industria química ha hecho posible el desarrollo de nuevos materiales. Los dos materiales más antiguos son el vidrio y el papel.

El vidrio: es una material muy fácil de conseguir. Los romanos empleaban el vidrio para elaborar objetos de bisutería y pequeños recipientes. Ya sé que parecerá esto extraño pero es un error denominar “cristal” al vidrio, está confusión se debe a que muchos cristales son transparentes. Cuando el vidrio es de alta calidad se acepta la denominación de “cristal” aplicado a él.

Gracias a las últimas tecnologías el vidrio ha conocido aplicaciones. Una de ellas es la famosa fibra óptica, que permite la transmisión de decenas de miles de combinaciones simultáneas por un hilo más fino que un cabello humano, está hecha de vidrio, aunque se trata de un vidrio muy rico en silicio.

 

El papel: a pesar de los modernos medios de comunicación, el papel sigue siendo el material más utilizado para la expansión del conocimiento humano. El primer material de esta clase del que se tiene constancia es el papiro, que consiste en una planta herbácea  muy abundante en la zona del Nilo. En los lugares donde no existía el papiro se usaba el pergamino, que a diferencia del papiro se fabricaba a partir de pieles de animales de corral. Ambos materiales requerían un difícil proceso de elaboración, por lo que a la larga fue imponiéndose poco a poco el uso del papel.

El principal componente del moderno papel industrial es la celulosa, lo que significa que la materia prima es la madera. La demanda actual de papel es alta, lo que contribuye a la deforestación de nuestro planeta; pero se trata  de un material fácilmente reciclable. En nuestra mano está evitar ese desastre, separando nuestros desechos de papel del resto de la basura para depositarlos en los contenedores adecuados y comprando papel reciclado aunque sea un poquillo más caro.

3.1. Materiales de construcción: cementos y hormigones.

Entre los modernos materiales de construcción, el acero es el material que ha contribuido en grandes proyectos como los rascacielos, las presas...etc. Pero estas obras no serían posibles sin otro material que a simple vista son más modestos: el cemento.

Existen aglomerantes naturales que se emplean desde hace mucho tiempo. Los egipcios se valían del yeso y diversas formas de mortero. Los romanos, dieron un paso hacia delante con el opus caementicium, compuesto con cal y ceniza volcánica del Vesubio, conocida como puzolana. Con el fin del Imperio este excelente cemento cayó en el olvido, pasando a ser el mortero el principal aglutinante de toda la Edad Media.

Hoy en día existe un tipo de cemento para cada necesidad constructiva, pero básicamente todos se elaboran a partir de arcilla y roca caliza.

En el año 1824, el inglés Joseph Apsdin patentaba el cemento más generado en nuestros días, el cemento Pórtland, llamado así porque al endurecerse presentaba aspecto de las rocas calizas de la península inglesa de Portland. El proceso, que según el tipo de cemento puede durar desde algunos minutos hasta varias horas, se denomina fraguado.

Con el cemento como aglutinante y otros componentes áridos, se elabora el hormigón, una piedra artificial capaz de soportar pesos elevadísimos y si se añaden gavillas de acero se obtiene el hormigón armado.

3.2. Los modernos materiales artificiales: los polímeros.

Los polímeros son sustancias constituidas por moléculas enormes, resultado del empaquetamiento de un gran número de moléculas llamadas monómeros. En bioquímica son muy comunes los polímeros: la celulosa, el almidón…etc. La naturaleza ha sido capaz de superar de superar polímeros que superan prestaciones equivalentes a los artificiales. La industria moderna se sirve de algunos polímeros naturales, pero el progreso de la química  iniciado en el siglo XIX por John Dalton, Dimitri Mendeleiev o Friedrich A. kekulé inundaron el mercado con un gran variedad de polímeros que han revolucionado la ciencia de los materiales.
Dada la increíble variedad de polímeros que existen en la actualidad, su clasificación es difícil. Su clasificación según el comportamiento ante el calor es:

• Polímeros termoplásticos: se reblandecen por acción del calor sin que su estructura molecular sufra alteraciones. 

• Polímeros termoestables: una vez enfriados no pueden volver a ser moldeados por efecto del calor ya que si se calientan acaban descomponiéndose.

Debido a la enorme complejidad que conlleva clasificar los polímeros según su proceso de fabricación o según su composición química, la siguiente clasificación va a ser según sus propiedades mecánicas:

• Elastómeros: capaces de soportar grandes deformaciones sin llegar a romperse y de recuperar su forma original cuando el esfuerzo desaparece.

• Plastómeros: son aquellos que al sufrir una deformación no recuperan su forma original cuando el esfuerzo desaparece. Son más conocidos con el nombre de plásticos. Muchos polímeros son denominados erróneamente plásticos como el PVC.

• Fibras: presentan alta resistencia a las deformaciones ante esfuerzos de tracción.

• Recubrimientos: sustancias líquidas que pueden extenderse sobre superficies formando una fina película protectora.

• Adhesivos: capaces de formar fuertes enlaces con las superficies con las que entran en contacto.

2. Materiales naturales

La naturaleza es la única proveedora de materiales, es decir, todos los materiales provienen de ella. Por eso debemos esforzarnos por cuidar y proteger nuestro entorno natural.

2.1 Derivados del petróleo

El petróleo se trata de un líquido viscoso, generalmente de tonalidades muy oscuras, con una densidad que oscila entre 0,75 y 1,05 g/ml. El petróleo es el resultado de la descomposición durante millones de años de la flora y la fauna marinas en ausencia de oxígeno, bajo presión y a temperaturas elevadas. A pesar de su origen siempre lo encontramos impregnado en rocas porosas confinadas entre estratos de roca impermeable, se encuentran a miles de metros de profundidad respecto a la superficie.

 La composición química del petróleo es muy compleja. Básicamente se trata de una mezcla de hidrocarburos, es decir, compuestos constituidos por cadenas moleculares de carbono e hidrógeno de longitud muy variada. Actualmente, los derivados del petróleo son vitales para nuestra vida diaria. Además de los diferentes combustibles que se obtienen del petróleo, que cubren el 70% de las necesidades energéticas mundiales, por ello resulta casi imposible nombrar algún objeto cotidiano que no contenga derivados del petróleo en su composición. El problema con el que nos encontramos actualmente es doble: se trata de un recurso ilimitado, y por otro lado, están las implicaciones medioambientales y políticas del petróleo.

El petróleo crudo, tal y como se extrae del yacimiento, tiene poca utilidad; por ello es necesario refinarlo. Las refinerías son grandes plantas industriales en las que el petróleo es sometido a una serie de procesos físicos y químicos, cuyo resultado final es la obtención de los diferentes hidrocarburos de los que está compuesto. El principal proceso físico es la destilación: separación de los diferentes hidrocarburos gracias a que cada uno de ellos se condensa a temperaturas diferentes; los más pesados, necesitan condiciones especiales. El principal proceso químico en el refinamiento del petróleo  es la descomposición térmica, consistente en el calentamiento  del crudo a grandes presiones, con lo que en lugar de evaporación, tiene lugar la descomposición o la transformación de las moléculas de hidrocarburos. Actualmente,  utilizan catalizadores para hacer más eficiente el proceso.

Una vez concluido el proceso obtenemos una gran variedad de hidrocarburos. Muchos de estos productos constituyen la materia prima de la industria petroquímica,  responsable de una enorme cantidad de productos.

2.2 La piedra natural

Cada vez que el ser humano ha querido que su obra perdure, ha recurrido a la piedra natural. El principal problema de la piedra natural aplicada a la arquitectura es su transporte. Hoy en día la piedra natural ha sido sustituida en la construcción por modernos materiales y piedras artificiales como el hormigón y el silestone. La piedra natural actualmente solo se emplea como elemento ornamental.

Estas piedras naturales se pueden clasificar en cinco grandes grupos: areniscas, pizarras, calizas, granitos y mármoles.

§  La arenisca: es una roca sedimentaria formada por arena y un aglutinante natural. Su calidad depende de ambos componentes, aunque la mayoría resisten mal el paso del tiempo.

§  Las pizarras: Son rocas metamórficas, es decir, rocas que después de haberse formado han sido sometidas a grandes presiones y temperaturas que las han transformado. Gracias1 a su impermeabilidad han sido y siguen siendo muy utilizadas en la construcción de tejados y para pavimentar suelos que no han de soportar un tráfico pesado.

§  Las rocas calizas:  Son aquellas cuyo componente principal es carbonato cálcico. Son muy resistentes a la comprensión y tienen gran facilidad para ser talladas, han sido el material preferido para la construcción de las grandes catedrales. Su principal inconveniente  es que son muy vulnerables al ataque de los ácidos, por lo que la lluvia ácida, acabará por deteriorarlas.

§  El granito: es una roca intrusiva (o plutónica), esto es, formada a  partir de magma en grandes profundidades, que sometida a fuertes presiones se ha enfriado muy lentamente. Su aspecto granulado se debe a sus componentes: cuarzos y diversos tipos de minerales denominados feldespatos y micas. El granito es extremadamente duro, pesado y resistente. En la actualidad es muy utilizado para la elaboración de encimeras de cocina.

§  El mármol: Es el tipo de piedra ideal para la ornamentación sin tener que renunciar a unas buenas propiedades mecánicas. Se trata de una roca metamórfica. En la actualidad es el principal material del que se proporciona la arquitectura funeraria.

2.3  La madera

La madera es otro de los materiales utilizados por el ser humano desde que puebla el planeta. Es flexible, ligera, abundante y fácil de trabajar. Actualmente, sufrimos las consecuencias de su indiscriminado: la deforestación avanza a un ritmo alarmante, ya que se ha convertido en una de las materias primas más explotadas de la historia.

Los dos principales componentes de la madera son la celulosa y la lignina. Existen tantos tipos de madera como especies de árboles, y cada una tiene aplicaciones específicas, tanto ornamentales como arquitectónicas. Los árboles tropicales son  muy demandas en el sector constructivo por su dureza y resistencia los elementos atmosféricos, lo que las ha llevado al borde de la extinción.

              2.4  Los metales

                     La materia está compuesta por átomos. Existen 92 tipos de átomos en la naturaleza, y cada     

                    uno de esos tipos recibe el nombre de elemento. Los metales son elementos que se distinguen   

                    por presentar algunas de las siguientes propiedades:

§  Suelen tener apariencia brillante.

§  Son dúctiles.

§  Son maleables.

§  Suelen ser buenos conductores del calor y la electricidad.

§  En soluciones acuosas forman iones positivos, o sea, átomos que han perdido alguno de sus electrones.

                   Al contrario que la madera y la piedra natural, los metales siguen siendo muy utilizados;  

                   además, algunos tienen una importancia estratégica. Estos reaccionan con facilidad con otros   

                   elementos, formando compuestos; esto explica que en la naturaleza se encuentren en forma de 

                   minerales. Un efecto indeseado causado por la reactividad de los metales es la corrosión,   

                  causante de pérdidas valoradas en millones de euros anuales.

                  La excepción a esta regla son los llamados metales nobles, que son ideales para la industria de 

                  la joyería.

                  Muchos metales mejoran sus propiedades al mezclarse con uno o más elementos. Estas mezclas   

                  reciben el nombre de aleaciones. Existen multitud de aleaciones, entre las cuales destaca el  

                  acero y el bronce. La proporción de oro o plata con respecto al peso total de la aleación recibe 

                  la denominación de ley.

1. Localización de la materia prima y de los principales productos

La mayoría de los materiales utilizados actualmente por el ser humano pasan por un proceso de transformación o elaboración, estas parten de una materia prima. Esta es sacada de la naturaleza, y por tanto se puede decir que son de origen mineral, natural o animal. Pero también producto elaborado puede servir como materia prima para manufactura otro.

El valor de las materias primas está relacionado con la cantidad de productos que se pueden elaborar con ella y con el consumo de dichos productos.

1.1 Materias primas que han resultado fundamentales para la humanidad.

A lo largo de la historia, el número de materias primas y productos manufacturados ha ido aumentando a medida que aumentaban las necesidades humanas.  A principios de la historia las necesidades se reducían a las marcadas por el instinto de supervivencia.

 La necesidad de defenderse y alimentarse llevó a los primeros humanos a utilizar materiales minerales, y la necesidad de protegerse del frío fue satisfecha con el uso de pieles. El descubrimiento de la agricultura y la ganadería puso a disposición del ser humano nuevos materiales textiles.  Utilizaron la madera y la piedra. Pronto nuestros antepasados comprobaron que mezclando hierba seca y arcilla obtenían un material, el adobe, utilizado también en la actualidad.

1.2 Materias primas fundamentales.

En la actualidad nuestras necesidades son prácticamente ilimitadas, y la variedad de materias primas que suministra la industria moderna es inmensa. No todas las materias primas han alcanzado el nombre de materias primas estratégicas, es decir, consideras importantes para el desarrollo.

El petróleo es sin duda la más codiciada. Los mayores yacimientos se encuentran fuera de Europa. Se sospecha que existen grandes cantidades de petróleo bajo los hielos del Ártico, por lo que las potencias mundiales están tomando posiciones ante la posibilidad de un deshielo de los polos a causa del cambio climático. Esto para muchos supone una tragedia, en cambio para otros esto es una oportunidad de negocio.

 El hierro se conoce desde hace miles de años, pero desde la revolución industrial ha adquirido, junto al carbón, una gran importancia. Actualmente el hierro se encuentra muy repartido por el mundo, pero este ha perdido relevancia respecto al petróleo, y por ese motivo sigue siendo aún muy abundante.

Gracias a sus propiedades eléctricas el cobre es otro de los metales fundamentales en el mundo actual. Sin embargo, mucho antes de que descubriera la electricidad ya era considerado un material estratégico. Es uno de los componentes del bronce, por lo que ha sido objeto de deseo por parte de muchas civilizaciones.

Los materiales semiconductores por sus propiedades eléctricas han superado al cobre en importancia. El material semiconductor más importante es el silicio.

La mayoría de los materiales estratégicos son conocidos por el gran público. Sin embargo, existen materiales muy poco conocidos pero que son esenciales para nuestro día a día. Como por ejemplo el tantalio, el cual es el elemento ideal para diseñar circuitos electrónicos muy pequeños y de muy bajo consumo.

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Sigue mi blog todo tipo de información en cuanto a la Ciencia del Mundo Contemporáneo. Me llamo José Manuel González Caro y estoy en primero de Bachillerato A del IES Campo de Tejada.