Archivo de mayo, 2018

Materiales que cambiaron el mundo (II)

Por último hablaremos en este post de los materiales que han sido revolucionarios durante el siglo XX. Todo el progreso que hemos tenido en telecomunicaciones, en informática y electrónica ha sido posible gracias a diversos materiales. A continuación te mostramos los más destacados.

Semiconductores

Estos materiales tienen una conductividad eléctrica de valores intermedios entre los materiales conductores y los aislantes. El semiconductor más utilizado es el silicio, que abundante en la naturaleza. Otros semiconductores son el germanio y el selenio. El silicio y su dopaje permitieron fabricar los chips, elementos imprescindibles en la industria electrónica e informática.

En estos materiales semiconductores se puede “jugar” con su conductividad añadiendo impurezas, este proceso de impurificación es llamado dopaje, que consiste en introducir átomos de otros elementos para variar su conductividad. Al doparse pueden formar semiconductores tipo n (negativos) si tiene electrones libres  o semiconductores tipo p (positivos) si tiene huecos libres. Al unirse un semiconductor tipo n con uno p hay transferencia de electrones del lado p al n. Así se fabrican los diodos que tienen múltiples aplicaciones, como los LED las células solares o los rectificadores de corriente.

Los transistores de los microchips se fabrican con distintas zonas de semiconductores tipo n y tipo p, y realizando diferentes combinaciones entre transistores es posible hacer operaciones lógicas que ejecuten funciones de cualquier elemento electrónico o de un ordenador.

Un material derivado del silicio es el siliceno, un material bidimensional formado por láminas de silicio y ahora se están ensayando de manera experimental las magníficas propiedades probadas de manera teórica. Se cree que mejorará las propiedades del silicio permitiendo dispositivos aún más pequeños.

 

Oblea de silicio monocristalino con chips electrónicos grabados

Fuente : http://historiaybiografias.com/chip_silicio/

 

Como se hace un michochip: https://www.youtube.com/watch?v=WPkn0oTiWv

 

Superconductores

Al doctor Kamerlingh Onnes se le concedió el Premio Nobel de Física en 1913 al descubrir la superconductividad en el mercurio al ser enfriado a -269ºC. el mercurio a estas temperaturas y a otros materiales como aleaciones de niobio y titanio, cerámicas de óxidos de itrio, bario y cobre, no presentan ninguna resistencia al paso de los electrones es decir, permiten el transporte de energía sin pérdidas, al contrario de lo que pasa por ejemplo con los metales que sufren el efecto joule.

Esto hace que tengan numerosas aplicaciones, por ejemplo los imanes de los equipos de resonancia magnética se fabrican con materiales superconductoras. También estos superconductores son usados en producción de energía eólica. Permiten conducir la corriente eléctrica sin perdidas lo que supone menor coste energético. Permiten construir nuevos transportes, al poder permitir construir imanes permanentes sobre los que se desplacen vehículos, como los trenes Maglev que alcanzarán velocidades de hasta 580 Km/hora en el trayecto entre Tokyo y Osaka.

 

Tren superconductor

Fuente: http://www3.icmm.csic.es/superconductividad/aplicaciones/

Pruebas con el tren Maglev: https://www.youtube.com/watch?v=ltqp4McM2wY

 

 

Fibra óptica

La fibra óptica cambió el sistema de las telecomunicaciones, gracias a la cual hoy en día es tan sencillo y rápido conectarse a internet. Se diseñaron para mejorar las redes de telefonía, después de las de televisión y finalmente ha contribuido a la expansión de internet y las comunicaciones en general.

Básicamente su función es transportar grandes cantidades de datos a través de luz. Mejora la transmisión de datos respecto a otros sistemas ya que aumenta la rapidez y amplifica los datos transmitidos. Para ello, pensar el material del que estarían hechas estas fibras requería algunas características especiales:

Debería ser transparente a una determinada longitud de onda, que fuera rígido a la vez que flexible y barato.  Así pues están formadas por un núcleo central de vidrio, dopado con óxidos de germanio o de fósforo, rodeado por una fina capa de vidrio y recubrimientos de PVC o polietileno para darles rigidez y protección.

Ejemplo de cable submarino de fibra óptica

Fuente: http://nemesis.tel.uva.es/images/tCO/contenidos/tema2/tema2_1_5.htm

 

Materiales del Futuro

Ponemos fin a nuestra serie de post, con los materiales más prometedores hoy en día y que son firmes candidatos a ser alguno de los materiales que cambiará nuestras vidas.

Grafeno.

Fue descubierto de manera casi accidental por Andre Geim y Konstantin Novoselov cuando descubrieron que podía fabricar láminas de un átomo de espesor. Ello les sirvió para llevarse el Nobel de física en 2010.

El grafeno es un material extraordinario debido a su estructura es una sustancia compuesta por carbono. De los cuatro electrones del carbono, tres se unen con los átomos contiguos, y es el cuarto electrón libre lo que hace que tenga unas propiedades extraordinarias. Es fuerte, flexible, es casi transparente buen conductor de la electricidad y el calor. Esto hace que tenga múltiples aplicaciones, en particular para la generación de dispositivos electrónicos y con el auge del Internet de las cosas, se prevé que su uso será imprescindible y aumentará en los próximos años.

 

Lámina de grafeno

Fuente: www.infografeno.com

 

Seda de araña

En nuestro blog dedicamos una entrada a este material tan prometedor:

http://www.madrimasd.org/blogs/ingenieriamateriales/2012/05/08/438/

 

Las fibras de la seda de araña tienen unas excelentes propiedades mecánicas, que no es comparable con la seda de otros animales por ejemplo del gusano de seda. La seda se compone principalmente de proteínas que produce el animal antes del hilado. Conseguir este hilado artificialmente es muy complicado aunque ya hay avances sobre ello. Las aplicaciones que tendrá esta seda artificial son múltiples, prendas resistentes, paracaídas, implantes en huesos y tendones, reparaciones óseas, injertos de piel, etc…

Ovillo de seda artificial.

Fuente: Lena Holm, Universidad de Ciencias Agrarias (Suecia)/Nature Chemical Biology

 

Para saber más: Biomimetic spinning of artificial spider silk from a chimeric minispidroin. doi:10.1038/nchembio.226

 

Estateno

Este material fue diseñado por ordenador, por lo que sus propiedades están probadas teóricamente. Según estos cálculos teóricos podría conducir la electricidad de una eficiencia cercana al 100% ya que la lámina de estateno formada por un átomo de estaño mueve los electrones sin disipar el calor. De momento ya se ha fabricado y queda comprobar si se cumplen dichas propiedades en laboratorio de manera experimental. Si así fuera puede ser el material que reemplace al Silicio en la industria de la electrónica.

 

Shirlk

Shirlk es un nuevo material, que pretende imitar la cutícula o piel dura de los animales, desarrollado por Javier G. Fernández y otros investigadores del Instituto Wyss en la Universidad de Harvard. Está hecho de capas de un material llamado chitosan y una proteína llamada fibroína de gusano de seda, por lo que es de fácil fabricación, bajo coste, es biodegradable y podría servir para sustitir a los plásticos.

 

                                   

Javier Fernández (a la derecha) muestra una lámina de quitosano a Don Ingber, director del Instituto Wyss. Fuente: Jon Chase Harvard Public Affairs & Communications.

 

En esta serie de post hemos mostrado algunos materiales pero hubo y habrá muchos más materiales que cambiarán nuestras vidas, de ahí la importancia de continuar la investigación en materiales, ya que serán clave en el futuro. Tendrán su importancia en bioingeniería en el desarrollo de tejidos, ayudarán a consolidar la impresión 3d, mejorarán la manera de obtener de almacenar y obtener energía y serán clave en el futuro.

 

 

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Materiales que cambiaron el mundo (I)

La ciencia y la tecnología han cambiado nuestras vidas a lo largo de la historia. Todas las disciplinas han estado involucradas, pero en este blog queremos mostrar la importancia que tiene el desarrollo de nuevos materiales. Son muchos pero mostraremos los más destacados. Comenzamos una serie de post que nos llevará a través de la historia del ser humano en relación con los materiales, y es que como se titula nuestro blog, “nuestra vida está íntimamente ligada a la de los materiales”.

Prehistoria

En la prehistoria el desarrollo de materiales fue vital para el desarrollo de los seres humanos. Es así que la prehistoria se divide en dos grandes épocas: Edad de piedra (en la cual el trabajo con la piedra supuso un avance en la vida de la época) y la edad de los metales (con la aparición del cobre, el bronce y el hierro).

Edad de piedra

En esta época se popularizó el uso de la madera que proporcionó a las primeras civilizaciones el acceso a herramientas, vivienda, infraestructura y transporte, tales como barcos.

Pero fue la piedra el primer material que se convirtió con éxito en herramientas y armas, por lo que fue de vital importancia para la supervivencia.

En particular se utilizaron rocas como la silex, cuarcita, fonolita y riolita. El sílex es anhídrido silícico, la cuarcita es una roca metamórfica compuesta esencialmente por cuarzo, la fonolita es una roca de un origen volcánico compuesta principalmente por feldespato alcalino, la riolita es una roca rica en sílice cuya composición química es la del granito pero con más contenido en SiO2.

 

 Imagen Cuarcita

Fuente: www2.montes.upm.es/Dptos/dsrn/Edafologia

 

Piedra tallada a mano llamada ‘Excalibur’ de Atapuerca, con una edad aproximada de 0.5 millones de años

Fuente: https://www.york.ac.uk/news-and-events/news/2012/research/handaxe/gallery/

 

En este enlace puede observarse el tallado de algunos instrumentos de piedra:

http://www.diariodeatapuerca.net/Cuchillosenvidrio.pdf

 

Edad de los metales

La edad de los metales comienza aproximadamente en el año 4000 a.C. Es una época clave puesto que los elementos y herramientas que se desarrollaron a partir del descubrimiento de los metales hicieron que fuese una época de gran evolución para el hombre.

Los procedimientos de trabajo también evolucionaron lo que permitieron una mejor obtención de los metales. Al principio se golpeaba el metal para darle forma, después surgió la forja, en el que el metal era golpeado en caliente y con el descubrimiento de la fundición (metal se calienta hasta volverse líquido y se introduce en un molde) se extendió el uso de los metales.

 

Edad de Bronce

Los primeros metales que se usaron fueron la plata, el oro y el cobre, que se encuentran de manera natural en forma de pepitas, pero el oro y la plata al ser tan escasos no supusieron ningún avance en la vida del ser humano. En cambio el cobre si lo supuso. En su forma pura es muy blando, pero aleado con estaño en pequeña cantidad da lugar al bronce, (una aleación promedio contiene un 90% de Cu y 10% de Sn). Se desconoce cómo nuestros antepasados llegaron a esa combinación.

El procedimiento de obtención del bronce consistía en mezclar el mineral de cobre  con el de mineral de estaño en un horno, de tal manera que al calentar se produce carbono que reducía los minerales y daba un resultado del 5 al 10 % en peso de estaño.

 

Molde de fundición. Arenisca para Bronce. Yacimiento de Regal de Pidola. (Binéfar, Huesca). Fuente: Museo de Huesca http://museodehuesca.es/colecciones/protohistoria/

 

Edad de Hierro

Sucedió en torno el año 1200 a.C. El hierro es un elemento muy abundante (el cuarto más abundante en la corteza terrestre, además el núcleo de la tierra está formado por hierro) , lo que hizo que se extendiera su uso de una manera muy rápida. Además las armas y utensilios eran de más calidad.

 

 

Hacha de la edad de Hierro procedente de Dinorben Hillfort.

Fuente: Museo de Gales. https://museum.wales/blog/2014-01-09/Bryn-Eryr-Farm—How-to-become-an-Iron-Age-Carpenter/

 

Desde entonces hasta hoy en día el hierro es el elemento más utilizado, ya que se emplea en la producción de acero principalmente.

El acero es una aleación de hierro y carbono entre un 0.05 y 2% los más habituales. Existen aceros de diversas composiciones y elementos aleantes. Cada uno de ellos desarrollado para diferentes aplicaciones, lo cual, junto su fácil trabajabilidad hace que sea tan versátil que su consumo no deja de crecer.

Aunque sus componentes principales son abundantes, el acero se puede reciclar, lo que favorece aún más su uso y extensión.

lo largo de los siglos se fue mejorando la manera de obtener el acero, se aumentó el tamaño de los hornos y se entendió mejor el proceso de reducción del mineral de hierro. Pero fue durante la revolución industrial (principalmente la llamada segunda revolución industrial) la época en la que el acero incremento su producción y uso. Fue la invención del ferrocarril, las máquinas de vapor, los barcos, etc, lo que hizo que su demanda creciera vertiginosamente. Para ellos se estudió como aumentar la producción de acero y fue en esta época durante el siglo XIX en la que se patentó el proceso Bessemer 1855, para la producción masiva de acero, en el cual el arrabio (producto de la reducción del hierro en el horno de fundición y que se usa para fabricar el acero) se refinaba mediante chorros de aire.

Gráfica de la producción mundial de acero en los últimos siglos. El invento de Bessemer fue el punto de partida del vertiginoso crecimiento.

Fuente: Acero,  Autor: Martínez Gómez, Lorenzo Editorial: S.L. FONDO DE CULTURA ECONOMICA DE ESPAÑA

Para conocer más sobre el Proceso bessemer: https://www.youtube.com/watch?v=4Sw9XzXXcxk

Esta producción masiva de hierro incremento la producción en minería y otros sectores, siendo un elemento fundamental en el hecho de que la revolución industrial fuera una época de transformaciones que industrializó el mundo dando lugar a una nueva etapa en la historia.

Como curiosidad, la revolución industrial también cambió la arquitectura al incorporar nuevos materiales basados en acero. Así uno de los símbolos de la revolución industrial fue la torre Eiffel construida con aproximadamente 18.000 piezas que se entrecruzan mediante 2.500.000 remaches de  hierro forjado pudelado.

Torre Eiffel  Fuente: https://es.wikiarquitectura.com/edificio/torre-eiffel

Hoy en día se emplean los altos hornos para producir acero desde mineral de hierro, aunque también se ha extendido el uso de hornos eléctricos para reciclar acero desde chatarra.

 

 

Alto horno para producir acero. Fuente: http://www.albasiderurgica.com/

 

Actualmente, su producción sigue creciendo, siendo China hoy en día el mayor productor, y las previsiones apuntan a que seguirá siendo el material más utilizado por muchos años.

 Producción de acero en el 2007. Fuente: Wikipedia

Papel

La escritura es el hecho que separa la historia de la prehistoria. El hombre usó múltiples materiales para escribir, barro y rocas fueron los primeros empleados, pero el papel ha sido el material más usado a lo largo de los años.

El precursor del papel son los papiros usados por primera vez en el antiguo Egipto  que se fabricaban a partir de la planta papiro que crecía a orillas del Nilo entrecruzando las fibras que se obtenían de ella entrecruzadas y dejándolas secar en un soporte.

Detalle de láminas de papiro dispuestas horizontal y verticalmente. Fuente: http://www.nilo.one/prologo/papiro.htm

 

El papel como tal se inventó en China (Cai Lun en el año 105 d.C.), realizando una pasta con fibras de plantas como seda o bambú, la cual dejaba secar en tamices. La fabricación de papel se extendió por Asia, pero se considera que fue en la batalla de Talas (ocurrió en el año 751 d.C. a orillas del río Talas, hoy en día es Kirguistán) donde prisioneros chinos revelaron el secreto a los árabes. Posteriormente la invasión árabe de España, ingresó el papel en Europa en el siglo VIII.

Para conocer más sobre la historia del papel:

http://www.paperonline.org/uploads/Infografia%20historia%20papel.pdf

Recreación de la producción de papel en la antigüedad

Fuente: http://www.vacacionchina.com/cultura-de-china/invencion-papel.html

 

Un hecho que no solo hizo que la producción de papel se multiplicara sino que influyó en el curso de la historia porque supuso una expansión del conocimiento fue la invención de la imprenta por en 1453 por Gutenberg.

Más adelante en 1720 Ferchault de Reaumur empezó a emplear fibras vegetales de la madera para producir papel. Este hecho junto con la patente en 1804 de la máquina Fourdrinier, para la producción masiva y en continuo del papel hizo que su producción aumentara exponencialmente.

Maquina de papel Fourdrinier

Fuente: https://historiasdeempaques.wordpress.com/2013/01/03/el-papel-una-historia-bien-entrelazada/

 

El fundamento de esta máquina que hoy en día es básicamente muy similar es formar una pasta de pulpa de madera, se diluye en agua y se deposita en una tela metálica que se mueve horizontalmente donde el agua se va escurriendo. Posteriormente se para la pasta resultante entre rodillos secándose aún más y por último se pasa por rodillos calientes y se enrolla en bobinas.

 

Aluminio

El Aluminio es el segundo material con más producción mundial después del acero, y está presente en todos los sectores (automoción, alimentación, medicina, aeronáutica, etc…). No fue hasta el siglo XIX cuando se extendió el uso del aluminio, al mejorarse el proceso de producción, hasta entonces su producción era muy costosa que incluso se exhibía como un metal precioso en exposiciones.

Sonajero imperial, de Luis Napoleón, de aluminio. 1866.

Fuente: http://luissoravilla.blogspot.com.es/2012/12/la-cuberteria-de-aluminio-de-napoleon.html

 En 1889 se patentó el proceso Bayer, procedimiento para a partir de bauxita (que es de la manera que se encuentra el aluminio en la naturaleza) producir alúmina. El proceso consiste básicamente el disolver la bauxita con hidróxido de sodio. A continuación hay una etapa de digestión y otra de calcinación donde el hidróxido de aluminio se convierte en alumina. (2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O) .

 

 

Proceso Bayer

Fuente: http://www.aluar.com.ar/es/aluminio.php?id_categoria=55

 

Para obtener aluminio de alúmina se hace por electrolisis. Hall y Heroult patentaron proceso llamado Hall-Heroult que consiste en la electrólisis de alúmina disuelta en una mezcla de sales fundidas o baño electrolítico y que consiguió junto el proceso Bayer que la producción de aluminio fuese rentable y se llevase a cabo de forma industrial.

Para leer más acerca de esta patente:

http://www.madrimasd.org/blogs/patentesymarcas/2014/la-obtencion-del-aluminio-por-electrolisis-el-caso-de-los-inventores-gemelos/

 

Pero fue la II Guerra Mundial el periodo de más auge del aluminio, ya que fue la fuente primordial para la fabricación de aviones. Hitler construyó una flota enorme de aviones de duraluminio (ya usado en la primera guerra mundial) cuya producción fue financiada por el Gobierno Federal. Además se utilizaba para la fabricación de bombas de termita. Se convirtió en un elemento clave durante la guerra cuyas plantas de producción eran objetivos de guerra. Así pues hubo periodos de escasez de aluminio donde afloraron nuevos materiales y aleaciones.

 

Northrop XP-56. Prototipo de caza interceptor estadounidense A causa de la escasez de aluminio durante la guerra, estaba fabricado íntegramente en magnesio.

Fuente: http://www.gtd.es/en/blog/otros-10-aviones-raros-de-la-segunda-guerra-mundial

 

Hoy en día los aviones se fabrican principalmente de materiales compuestos aunque algunos de sus componentes siguen siendo de aluminio. Uno de los sectores donde el aluminio está muy presente debido al desarrollo de nuevas aleaciones de aluminio y debido a su fácil conformado es la industria del automóvil. Esta aplicación y muchas otras pronostican una larga vida al aluminio.

 

Partes del automóvil fabricados de aluminio

Fuente: http://puentelara.blogspot.com.es/2013/02/aluminio-uso-en-el-automovil.html

 

Más sobre el aluminio en : http://aluminio.org

 

Plástico

Cientos de objetos cotidianos están hechos de plástico. Los materiales plásticos surgieron al investigar polímeros naturales para buscar sustancias que permitieran fabricar productos que con las materias primas que existían no era posible. Así se empezó a trabajar con ámbar, goma laca, gutapercha. En esa época también se trabajó con caucho y caseína. En 1839 Goodyear patento la vulcanización, modificando las propiedades de la goma natural al calentarla con azufre, es el proceso clave en la fabricación de neumáticos.

En 1860, un fabricante de bolas de billar quería cambiar las bolas de marfil usadas hasta entonces por otro material. John Wesley Hyatt presentó el celuloide, un material logrado al disolver celulosa en alcanfor y etanol.

Pero fue la bakelita el primer polímero completamente sintético producido en 1909 cuya  síntesis se realiza a partir de moléculas de fenol y formaldehído. En 1915 se descubre la copolimerización, (formación de polímeros mediante la unión de dos o más monómeros). Este hecho facilitó la producción de otros productos: poliestireno en 1929, poliéster en 1930, cloruro de polivinilo (PVC) y polietileno en 1933 y nylon en 1935, que junto con su fácil fabricación, bajo precio, moldeabilidad, y sus múltiples aplicaciones provocó la masiva producción de objetos de plástico.

Polimerización del etileno

Fuente: http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com.es/2013/08/polimeros.html

 

Existen numerosos productos plásticos que se clasifican atendiendo a diferentes categorías y se fabrican de diferentes maneras, principalmente por  técnicas de extrusión y de moldeo.

 

Clasificación y usos atendiendo a su comportamiento frente al calor

Fuente: http://tecnologiasplasticos.blogspot.com.es/

Los plásticos han conseguido avances en diferentes sectores que de otro modo no se hubiera podido hacer. Son muy versátiles, fáciles de fabricar y con bajos costos de producción.

 

Producción mundial de plástico de 1950 a 2014

Fuente: PlasticsEurope

Nunca antes un descubrimiento había crecido tan rápido lo que ha generado numerosos residuos de plástico. Por ello existe gran controversia con este material. Diversos antropólogos vaticinan que esta época se denominará la edad de plástico al igual que ocurrió con la edad de hierro. Lo cierto es que los plásticos presentan el problema de la biodegradabilidad.  Las soluciones que se presentan ante este problema son fabricar plásticos biodegradables, reducir su consumo y reciclarlos. Además se está investigando con bacterias que se alimentan de plástico. Más información en: Fuente: (Science  11 Mar 2016:Vol. 351, Issue 6278, pp. 1196-1199 DOI: 10.1126/science.aad6359)

 

 

 

 

 

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Categorias: Autora: P. Muñoz