Ciencia de materiales para niños
La ciencia de materiales es una disciplina científica que estudia cómo la estructura de los materiales se relaciona con sus propiedades. Imagina que quieres construir algo muy resistente o algo que conduzca electricidad muy bien; la ciencia de materiales te ayuda a entender por qué ciertos materiales son mejores para cada cosa.
La ingeniería de materiales usa este conocimiento para diseñar o mejorar materiales, buscando que tengan propiedades específicas para un uso determinado. Por ejemplo, crear un material más ligero para aviones o uno más fuerte para edificios.
Este campo combina conocimientos de muchas áreas, como la química, la física y diferentes tipos de ingeniería (química, mecánica, civil, eléctrica). También se relaciona con la medicina, la biología y las ciencias ambientales. Gracias a la ciencia de materiales, podemos usar estos elementos en construcciones, máquinas, herramientas y muchos productos que necesitamos en nuestra vida diaria. Con el auge de la nanotecnología (trabajar con materiales muy, muy pequeños), la ciencia de materiales ha crecido mucho en las universidades.
Aunque hemos avanzado mucho en el conocimiento de los materiales, siempre hay nuevos desafíos tecnológicos que requieren materiales aún más avanzados y especializados.
Contenido
Historia de los materiales y la humanidad
Históricamente, el progreso de las sociedades ha estado muy ligado a su capacidad para crear y usar los materiales que necesitaban. Por eso, los historiadores han clasificado las primeras civilizaciones según los materiales que usaban: la Edad de Piedra, la Edad del Cobre, la Edad de Bronce y la Edad del Hierro. Esta secuencia es común en muchas partes del mundo, porque usar hierro requiere una tecnología más avanzada que el bronce, y el bronce es más complejo de obtener que la piedra.
Las primeras civilizaciones tenían menos tipos de materiales disponibles. Al principio, solo usaban materiales naturales o semi-naturales como piedras, madera, arcilla o pieles. Los metales no preciosos, como el hierro o el cobre, no se encuentran puros en la naturaleza; están mezclados en minerales y necesitan un proceso de separación para obtener el metal puro. Con el tiempo, se desarrollaron técnicas para producir materiales con propiedades nuevas y mejores, como las aleaciones (mezclas de metales).
Hace relativamente poco tiempo, unos 200 años, los científicos empezaron a entender la relación entre la estructura interna de los materiales y sus propiedades. Este conocimiento nos ha permitido modificar y mejorar mucho las características de los materiales. Un científico importante en este campo fue Willard Gibbs, quien demostró cómo las propiedades de un material se relacionan con su microestructura (cómo están organizadas sus partes más pequeñas).
Hoy en día, se han desarrollado miles de materiales diferentes con características muy especiales para nuestra sociedad moderna, como metales, plásticos, vidrios y fibras. Un gran avance fue el descubrimiento de cómo el calor afecta a los metales, especialmente al acero. Además, los aparatos electrónicos más avanzados se basan en materiales llamados semiconductores.
La historia de la humanidad está muy unida a los materiales que cada sociedad ha desarrollado. Por eso, hablamos de diferentes "edades" de los materiales, aunque no siempre tengan una fecha exacta o sucedan al mismo tiempo en todas las culturas.
La Edad de Piedra
La Edad de Piedra se refiere al periodo en que un grupo humano usaba principalmente la piedra, junto con otros materiales naturales como la madera o el hueso. A veces se piensa que esto significa una etapa poco desarrollada, pero no siempre es así. Culturas como los aztecas o los mayas, que lograron grandes avances culturales, no usaron metales extensivamente, pero tenían una gran variedad de piedras que cubrían sus necesidades.
La Edad de los Metales
La Edad de Bronce, a veces llamada "Edad de los Metales", se refiere al uso de metales y aleaciones. Su importancia es que obtenerlos requiere tecnologías complejas de metalurgia. El bronce es la aleación más famosa de esta época, asociada a las culturas clásicas. El acero es clave para la era de la Revolución Industrial.
La Era de los Polímeros
Las épocas más recientes se conocen como la "era de los polímeros". Los polímeros son materiales que se obtienen gracias a avances complejos en la química. Pueden tener casi cualquier propiedad física, por lo que su uso se ha vuelto tan masivo que definen a las sociedades modernas (a veces llamadas "sociedades plásticas").
Pero la historia de los materiales no se detiene. Actualmente, los materiales compuestos (o "composites"), que son la unión de varios materiales, están ganando mucha importancia.
¿Cómo se clasifican los materiales?
La ciencia de materiales clasifica los materiales según sus propiedades y su estructura atómica. Las categorías principales son:
- Metales: Como el hierro, el cobre o el aluminio.
- Cerámicos: Como la arcilla, el vidrio o la porcelana.
- Polímeros: Como los plásticos o el caucho.
- Materiales compuestos: Mezclas de los anteriores, como la fibra de carbono.
También se pueden clasificar según su función:
- Materiales estructurales: Usados para construir cosas, como el acero en edificios.
- Materiales Funcionales: Usados en la industria eléctrica, electrónica, informática y de telecomunicaciones.
Los materiales funcionales incluyen:
- Conductores: Permiten que la electricidad pase fácilmente.
- Semiconductores: Su conductividad eléctrica está entre la de un conductor y un aislante.
- Dieléctricos: Aislantes eléctricos.
- Magnéticos: Materiales que pueden ser atraídos por imanes o crear campos magnéticos.
- Ópticos: Materiales que interactúan con la luz.
En la ciencia de materiales, las categorías principales son metales, cerámicos y polímeros. Los semiconductores, por ejemplo, son un tipo de material cerámico, y los materiales compuestos son mezclas de estos grupos principales.
Aplicaciones y su relación con la industria
Los avances en la tecnología de materiales pueden llevar a la creación de nuevos productos o al surgimiento de nuevas industrias. Las industrias actuales también necesitan científicos de materiales para mejorar sus productos y encontrar soluciones a problemas con los materiales que usan. Las aplicaciones industriales de la ciencia de materiales incluyen elegir el material adecuado, evaluar su costo-beneficio, y aplicar técnicas de procesamiento y análisis.
Además de estudiar las características de un material, un científico o ingeniero de materiales también se encarga de cómo se extrae el material y se convierte en algo útil. Técnicas como el moldeo de lingotes, la fundición, la extracción en alto horno o la extracción electrolítica son parte del conocimiento necesario para un ingeniero metalúrgico o ingeniero industrial para entender las capacidades de un material.
Además de los metales, los polímeros y las cerámicas son muy importantes. Los polímeros son la base para fabricar plásticos. Los plásticos son el producto final después de que varios polímeros y aditivos se procesan y se les da una forma. Ejemplos de plásticos son el PVC y el polietileno.
En cuanto a los cerámicos, la arcilla es un ejemplo. Se puede moldear, secar y cocer para obtener un material refractario (que soporta altas temperaturas).
Fundamentos de la ciencia de materiales
Un material es una sustancia (generalmente un sólido, pero también puede ser un líquido o un gas) que se usa para aplicaciones específicas. Hay muchísimos materiales a nuestro alrededor, en edificios, coches o naves espaciales. Las clases principales son metales, semiconductores, cerámicas y polímeros. También se están desarrollando materiales nuevos y avanzados como los nanomateriales, los biomateriales y los materiales energéticos.
La base de la ciencia de los materiales es estudiar cómo la estructura de un material, los métodos para fabricarlo y sus propiedades finales se relacionan entre sí. La combinación de estos factores determina cómo se comporta un material en una aplicación específica. El rendimiento de un material depende de muchas características, desde los elementos químicos que lo forman hasta su microestructura y cómo se procesa. Los científicos de materiales usan las leyes de la termodinámica (estudio del calor y la energía) y la cinética (estudio de la velocidad de los procesos) para entender y mejorar los materiales.
Ámbitos de estudio
La ciencia de materiales abarca muchos temas, desde la estructura de los átomos hasta las propiedades de los materiales, sus procesos y tratamientos. Aquí tienes un resumen de los temas principales:
- Estructura atómica y enlaces entre átomos: Cómo se unen los átomos.
- Estructura de sólidos cristalinos: Cómo se organizan los átomos en los materiales sólidos.
- Imperfecciones en estructuras cristalinas: Pequeños defectos en la organización de los átomos.
- Procesos de difusión atómica: Cómo se mueven los átomos dentro de un material.
- Propiedades de los materiales: Características como la dureza, la conductividad o la resistencia.
- Dislocaciones y mecanismos de endurecimiento: Cómo los defectos pueden hacer un material más fuerte.
- Rotura: Cómo y por qué se rompen los materiales.
- Diagramas de fases: Mapas que muestran cómo cambian los materiales con la temperatura y la presión.
- Transformaciones de fases: Cambios en la estructura de un material.
- Tratamientos térmicos: Calentar y enfriar materiales para cambiar sus propiedades.
- Aleaciones: Mezclas de metales.
Investigación en ciencia de materiales
La ciencia de los materiales es un campo de investigación muy activo. Muchos departamentos de ciencia de materiales, física, química y ingeniería están involucrados en la investigación de nuevos materiales. La investigación cubre una amplia gama de temas. Aquí te destacamos algunas áreas importantes:
Nanomateriales
Los nanomateriales son materiales en los que al menos una de sus dimensiones (largo, ancho o alto) mide entre 1 y 1000 nanómetros (un nanómetro es una milmillonésima parte de un metro), aunque lo más común es que midan entre 1 y 100 nanómetros. La investigación en nanomateriales aplica los principios de la ciencia de materiales a la nanotecnología, usando avances en la metrología (ciencia de la medición) y la síntesis (creación) de materiales. Los materiales con estructuras a nanoescala a menudo tienen propiedades ópticas (relacionadas con la luz), electrónicas o mecánicas únicas. Ejemplos de nanomateriales son los fullerenos, los nanotubos de carbono y los nanocristales.
Biomateriales
Un biomaterial es cualquier material o estructura que interactúa con sistemas biológicos (como el cuerpo humano). El estudio de los biomateriales se llama "ciencia de los biomateriales" y ha crecido mucho, con muchas empresas invirtiendo en el desarrollo de nuevos productos. Esta ciencia combina elementos de la medicina, la biología, la química, la ingeniería de tejidos y la ciencia de los materiales.
Los biomateriales pueden ser naturales o creados en un laboratorio usando metales, polímeros, biocerámicas o materiales compuestos. A menudo se usan en aplicaciones médicas, como dispositivos biomédicos que ayudan, mejoran o reemplazan una función natural del cuerpo. Por ejemplo, pueden usarse para una válvula cardíaca o como implantes de hidroxiapatita en recubrimientos de cadera. Los biomateriales también se usan a diario en odontología, cirugía y para liberar medicamentos en el cuerpo de forma controlada. Un biomaterial también puede ser un autoinjerto (tejido del propio paciente), aloinjerto (tejido de otra persona) o xenoinjerto (tejido de otra especie) usado como material de trasplante de órganos.
Electrónica, óptica y magnética
Hoy en día, los semiconductores, metales y cerámicas se usan para crear sistemas muy complejos, como circuitos electrónicos integrados, dispositivos que usan luz y electricidad (optoelectrónicos) y medios para guardar mucha información (magnéticos y ópticos). Estos materiales son la base de nuestro mundo digital moderno, por lo que investigarlos es muy importante.
Los semiconductores son un ejemplo clásico de estos materiales. Tienen propiedades intermedias entre los conductores (que dejan pasar la electricidad) y los aislantes (que no la dejan pasar). Su capacidad para conducir electricidad es muy sensible a la cantidad de impurezas que tienen, lo que permite modificarlos para obtener las propiedades electrónicas deseadas. Por eso, los semiconductores son la base de la computación moderna.
Este campo también incluye nuevas áreas de investigación como los materiales superconductores (que conducen electricidad sin resistencia), la espintrónica (que usa el "spin" de los electrones) y los metamateriales (materiales con propiedades inusuales). El estudio de estos materiales requiere conocimientos de ciencia de materiales y de física del estado sólido o física de la materia condensada.
Ciencia computacional de los materiales
Gracias al aumento continuo de la capacidad de las computadoras, ahora es posible simular cómo se comportan los materiales. Esto ayuda a los científicos a entender su comportamiento y los mecanismos que los rigen, a diseñar nuevos materiales y a explicar propiedades que antes no se comprendían bien. Los esfuerzos en la ingeniería computacional integrada de materiales buscan combinar métodos computacionales con experimentos para reducir drásticamente el tiempo y el esfuerzo necesarios para optimizar las propiedades de los materiales para una aplicación específica. Esto implica simular materiales en todas las escalas, usando métodos como la teoría funcional de la densidad, la dinámica molecular, el Monte Carlo, la dinámica de dislocaciones, los modelos de campo de fase y el método de elementos finitos, entre otros.
Véase también
En inglés: Materials science Facts for Kids
- Tecnología de materiales
- Mecánica de sólidos deformables
- Caracterización de materiales
- Ensayo de materiales
- Ingeniería de materiales
