Ciencia de materiales: fundamentos, historia y aplicaciones

El material importante de una época determinada suele ser su punto de definición. Algunos ejemplos son la Edad de Piedra, la Edad de Bronce y la Edad de Hierro.

La ciencia de los materiales estudiaba originalmente la cerámica y la metalurgia. Estos antiguos oficios hacen de la ciencia de los materiales una de las formas más antiguas de la ingeniería y la ciencia aplicada. A finales del siglo XIX se produjo un gran avance en la comprensión de los materiales, cuando el científico estadounidense Josiah Willard Gibbs demostró que las propiedades físicas de un material estaban relacionadas con su estructura atómica. A medida que las fases cambiaban, también lo hacían las propiedades físicas del material.

Importantes elementos de la moderna ciencia de los materiales son producto de la carrera espacial: la comprensión y la ingeniería de las aleaciones metálicas, y los materiales de sílice y carbono, utilizados en la construcción de los vehículos de exploración espacial.

La ciencia de los materiales está ahora vinculada al desarrollo de plásticos, semiconductores, cerámicas, polímeros, materiales magnéticos, materiales para implantes médicos y materiales biológicos.

El científico/ingeniero de materiales también se ocupa de la extracción de materiales y su conversión en formas útiles. Así, la fundición de lingotes, las técnicas de fundición, la extracción en altos hornos y la extracción electrolítica forman parte de los conocimientos necesarios de un metalúrgico/ingeniero. A menudo, la presencia, ausencia o variación de cantidades mínimas de elementos y compuestos secundarios en un material a granel tendrá un gran impacto en las propiedades finales de los materiales producidos; por ejemplo, los aceros se clasifican en base a porcentajes de peso de 1/10 y 1/100 del carbono y otros elementos de aleación que contienen. Así, las técnicas de extracción y purificación empleadas en la extracción del hierro en el alto horno tendrán un impacto en la calidad del acero que se pueda producir.

Causa de los fallos

El estudio de las catástrofes en los siglos XIX y XX dio lugar a algunos descubrimientos importantes. A.A. Griffith (1893-1963) descubrió que los materiales reales nunca se acercan a su resistencia teórica. Este fue un descubrimiento pionero que provocó cambios en muchas industrias. Por ejemplo, el acero alcanza casi una décima parte de su resistencia teórica, pero la mayoría de los sólidos son entre 100 y 1000 veces más débiles de lo esperado.

Las ideas de Griffith fueron desarrolladas por J.E. Gordon (1913-1998). Gordon dijo que todos los sólidos simples son frágiles por naturaleza. La dureza, es decir, la resistencia a la fractura, tiene que ser diseñada en los materiales. La forma habitual es añadir otros materiales a la sustancia pura. Esto hace que su estructura sea más compleja, y eso hace que sea menos probable que falle. Un buen ejemplo es el vidrio a prueba de balas, en el que una capa de plástico pegada al vidrio lo hace mucho más resistente de lo que sería cualquiera de los dos materiales por separado. El blindaje personal basado en el Kevlar es otro ejemplo. Los materiales biológicos tienen esta característica de forma natural. Los huesos se doblan un poco antes de llegar al punto de rotura, y los troncos de los árboles también tienen cierta "cesión".

El estudio industrial de las aleaciones metálicas constituye una parte importante de la ciencia de los materiales. De todas las aleaciones metálicas que se utilizan hoy en día, las aleaciones de hierro (acero, acero inoxidable, hierro fundido, acero para herramientas, aceros aleados) constituyen la mayor proporción tanto por cantidad como por valor comercial. El hierro aleado con diversas proporciones de carbono da lugar a aceros de bajo, medio y alto carbono. Una aleación de hierro y carbono sólo se considera acero si el nivel de carbono está entre el 0,01% y el 2,00%. En el caso de los aceros, la dureza y la resistencia a la tracción del acero están relacionadas con la cantidad de carbono presente. El aumento de los niveles de carbono conduce a una menor ductilidad y tenacidad. Sin embargo, los procesos de tratamiento térmico, como el temple y el revenido, pueden modificar significativamente estas propiedades. El hierro fundido se define como una aleación de hierro y carbono con más del 2,00% pero menos del 6,67% de carbono. El acero inoxidable se define como una aleación de acero normal con un contenido de aleación de cromo superior al 10% en peso. El níquel y el molibdeno también se encuentran en los aceros inoxidables.

Otras aleaciones metálicas importantes son las de aluminio, titanio, cobre y magnesio. Las aleaciones de cobre se conocen desde hace mucho tiempo (desde la Edad de Bronce), mientras que las aleaciones de los otros tres metales son de desarrollo relativamente reciente. Debido a la reactividad química de estos metales, los procesos de extracción electrolítica necesarios se desarrollaron hace relativamente poco tiempo. Las aleaciones de aluminio, titanio y magnesio también son conocidas y valoradas por su elevada relación resistencia-peso y, en el caso del magnesio, por su capacidad de blindaje electromagnético. Estos materiales son ideales para situaciones en las que la alta relación resistencia-peso es más importante que el coste del volumen, como en la industria aeroespacial y en ciertas aplicaciones de ingeniería del automóvil.

Los polímeros son también una parte importante de la ciencia de los materiales. Son las materias primas utilizadas para fabricar lo que comúnmente llamamos plásticos. Los plásticos son realmente el producto final. Se fabrican cuando se añaden polímeros o aditivos a una resina durante su procesamiento. A continuación, la mezcla adquiere su forma final. Los polímeros más comunes son el polietileno, el polipropileno, el PVC, el poliestireno, los nilones, los poliésteres, los acrílicos, los poliuretanos y los policarbonatos.

El PVC (cloruro de polivinilo) se utiliza ampliamente, es barato y las cantidades de producción anual son grandes. Se presta a una increíble variedad de usos, desde el cuero artificial hasta el aislamiento eléctrico y el cableado, pasando por los envases y los contenedores. Es fácil de fabricar. Admite una amplia gama de plastificantes y otros aditivos, que le confieren distintas propiedades.

Otra aplicación de las ciencias de los materiales son las estructuras del vidrio y la cerámica, que suelen asociarse a los materiales más frágiles. Las cerámicas y los vidrios utilizan enlaces covalentes y enlaces iónicos-covalentes con SiO₂ , sílice o arena, como bloque de construcción fundamental. Las cerámicas son tan blandas como la arcilla y tan duras como la piedra y el hormigón. Suelen tener una forma cristalina. La mayoría de los vidrios contienen un óxido metálico fundido con sílice. A las altas temperaturas utilizadas para preparar el vidrio, el material es un líquido viscoso. Cuando se enfría, el vidrio se convierte en una estructura amorfa. Los cristales de las ventanas y las gafas son ejemplos importantes. También existen fibras de vidrio. El diamante y el carbono en su forma de grafito se consideran cerámicas.

Las cerámicas de ingeniería son conocidas por su rigidez, alta temperatura y estabilidad bajo compresión y tensión eléctrica. La alúmina, el carburo de sílice y el carburo de tungsteno se fabrican a partir de un polvo fino de sus componentes en un proceso de sinterización con un aglutinante. El prensado en caliente proporciona un material de mayor densidad. La deposición química de vapor puede colocar una película de cerámica sobre otro material. Los cermets son partículas de cerámica que contienen algunos metales. La resistencia al desgaste de las herramientas procede de los carburos cementados a los que se suele añadir una fase metálica de cobalto y níquel para modificar sus propiedades.

Otra aplicación de la ciencia de los materiales en la industria es la fabricación de materiales compuestos. Los materiales compuestos son materiales estructurados formados por dos o más fases macroscópicas. Sus aplicaciones van desde elementos estructurales, como el hormigón reforzado con acero, hasta las baldosas aislantes térmicas que desempeñan un papel clave e integral en el sistema de protección térmica del transbordador espacial de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), que se utiliza para proteger la superficie del transbordador del calor de la reentrada en la atmósfera terrestre. Un ejemplo es el carbono-carbono reforzado (RCC), un material gris claro que resiste temperaturas de reentrada de hasta 1510 °C (2750 °F) y que protege los bordes de ataque de las alas y el morro del transbordador espacial. El RCC es un material compuesto laminado hecho de tela de rayón de grafito e impregnado con una resina fenólica. Después de curarse a alta temperatura en un autoclave, el laminado se pirroliza para convertir la resina en carbono, se impregna con alcohol furfural en una cámara de vacío y se cura/pirroliza para convertir el alcohol furfural en carbono. Con el fin de proporcionar resistencia a la oxidación para la capacidad de reutilización, las capas exteriores del RCC se convierten en carburo de silicio.

Otros ejemplos son las carcasas de plástico de televisores, teléfonos móviles y objetos similares. Estas carcasas de plástico suelen ser de un material compuesto. Se trata de una matriz termoplástica, como el acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), a la que se ha añadido carbonato cálcico, talco, fibras de vidrio o fibras de carbono para aumentar la resistencia, el volumen o la dispersión electrostática. Estas adiciones pueden denominarse fibras de refuerzo o dispersantes, dependiendo de su finalidad.

Nuevo material magnético

Se ha descubierto un nuevo material magnético. Podría transformar los discos duros de los ordenadores y los dispositivos de almacenamiento de energía.

Una bicapa metálica altamente sensible sólo necesita un pequeño cambio de temperatura para alterar drásticamente su magnetismo. Se trata de una propiedad muy útil en ingeniería electrónica. "Ningún otro material conocido por el hombre puede hacer esto. Es un efecto enorme. Y podemos diseñarlo", afirma Ivan Schuller, de la Universidad de California en San Diego.

El material combina finas capas de níquel y óxido de vanadio. Se trata de una estructura que responde sorprendentemente al calor. "Podemos controlar el magnetismo en un estrecho margen de temperatura, sin aplicar un campo magnético. Y, en principio, también podríamos controlarlo con voltaje o corriente", dijo el profesor Schuller.

La ciencia de los materiales abarca varias clases de materiales, cada una de las cuales puede constituir un campo independiente. Los materiales se clasifican a veces por el tipo de enlace presente entre los átomos:

1. Cristales iónicos
2. Cristales covalentes
3. Metales
4. Intermetálicos
5. Semiconductores
6. Polímeros
7. Materiales compuestos
8. Materiales vítreos