Tema 5 Els nous materials
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Introducció Els materials naturals Els materials artificials Millora dels materials tradicionals Nous materials artificials Localització, producció i consum de materials Els residus
Tema 5 - Els nous materials
1. Introducció Un material es defineix com una combinació d'elements químics que formen una estructura determinada amb unes propietats interessants per a un propòsit concret. Quan el material procedeix de la naturalesa (mineral, animal o vegetal) i no pateix molts canvis respecte al seu estat original es denomina material natural, però si pateix una manipulació que dona lloc a un canvi estructural amb noves propietats, tindrem un material artificial. Els avanços realitzats en ciència i tecnologia augmenten les possibilitats de manipular un material, obtenint noves i millors propietats que serviran per a augmentar l'eficàcia dels materials antics o obrir un nou ventall de possibilitats que permeten fabricar aparells o instruments nous, com a dispositius electrònics, plaques fotovoltaiques, satèl·lits... Al llarg del tema estudiarem els primers materials que va utilitzar l'ésser humà i la nova generació de materials que s'estan descobrint en l'actualitat i el perfeccionament de la qual suposarà un gran canvi en la societat que coneixem actualment.
Tema 5 - Els nous materials
Busca informació sobre els següents fets o personalitats 1825
1854
1913
1931
Hans Christian Ørsted
William Wilkinson
Harry Brearley
Samuel Stephens Kistler
S'aïlla l'alumini
Es presenta la patent del formigó armat
Es descobreix l'acer inoxidable
Es creen els aerogels
1941
1949
1965
2010
J. Whinfield y J. Dickson
Werner Jacobi
Stephanie Kwolek
A. Geim y K. Novoselov
S'inventa el polièster
Es presenta la patent del microxip
Es descobreix el Kevlar
Premi Nobel de Física pel descobriment del grafé
L'ésser humà domina el foc (1,5 m.a.)
A Egipte es treballa el vidre (2500 a. C.)
Accident en una indústria química en Bhopal (1984)
Primer enllaç transoceànic amb fibra òptica (1988)
Tema 5 - Els nous materials
2. Els materials naturals Són tots aquells que no han patit un gran canvi a com es presenten en la naturalesa, per la qual cosa les seues propietats, en la majoria dels casos, són similars al seu estat original. Són els primers materials utilitzats per l'ésser humà, ja que no tenien la tecnologia suficient per a poder modificar-los. Es classifiquen en tres grups:
Materials naturals d'origen vegetal Fusta
Fibres vegetals
Material dur, resistent i lleuger, per la qual cosa pot usar-se com a material de construcció, per a fabricar eines i com a combustible. Com la seua manipulació requereix eines metàl·liques, el seu ús va començar amb l'edat dels metalls.
El lli, el cotó o el cànem són els més utilitzats, però requereix extraure les fibres de la planta, confeccionar el teixit entrecreuant els fils i, posteriorment, elaborar la peça de roba. Encara que el procés que es necessita és complex, la manipulació a penes canvia les seues propietats.
Tema 5 - Els nous materials
Materials naturals d'origen animal Pell
Seda
És un excel·lent aïllant enfront del fred, però en separar-la de l'ésser viu es podreix i perd les seues propietats. Per a evitar aquesta deterioració, es van desenvolupar diferents tractaments com l'adoberia, que converteix la pell en cuir, material que manté les seues característiques.
Material compost de proteïnes que segreguen les larves d'alguns insectes per a confeccionar els seus capolls. S'utilitza per a teixir teles.
Materials naturals d'origen mineral Els metalls tenen multitud de característiques que permeten la seua utilització per a múltiples fins, ja que són durs, resistents i bons conductors de la calor i de l'electricitat. Poden presentar-se aïllats com l'or o l'estany, però normalment estan associats a altres elements que no posseeixen les mateixes propietats, per la qual cosa es necessita extraure el metall d'interés. La mineria s'encarrega d'extraure els minerals i la metal·lúrgia trau d'ells els metalls i els combina amb altres elements (aliatges).
Tema 5 - Els nous materials
3. Els materials artificials Tots els materials naturals constitueixen el punt de partida a partir dels quals es poden elaborar altres artificials amb característiques i propietats molt diferents. A major tecnologia, majors canvis poden realitzar-se en la matèria inicial, per la qual cosa estudiarem els primers materials que es van obtenir i acabarem amb els que s'estan obtenint actualment: - Paper: Està format per una pasta de cel·lulosa (polisacàrid que forma les parets cel·lulars de les cèl·lules vegetals) que s'extrau principalment de la fusta. La seua capacitat d'absorbir tinta i quedar-se atrapada entre les fibres és la raó per la qual s'utilitza com a suport per a l'escriptura. Refinat de ➎ la pasta
Blanquejat de la pasta ➍
➌
Obtenció de la polpa ➋
Estés de ➏ la pasta
Tall de la fusta
➊ ➐
Premsat i assecat del paper
➑
Bobinatge i cort del paper
Obtenció de fusta
Tema 5 - Els nous materials
- Vidre: Els ingredients bàsics són l'arena de sílice (diòxid de silici), el carbonat de calci (calcària) i el carbonat de sodi (sosa), podent afegir a la mescla vidre reciclat. Els materials es calfen a uns 1300 °C i es forma un vidre molt fràgil. La tecnologia posterior va permetre conéixer que si s'afig borat de sodi, s'obtenen varietats més resistents i, si es deposita el vidre fos sobre un bany d'estany (també fos), es poden fabricar làmines de vidre llises i uniformes.
Carbonat de calci (CaCO3)
Vidre reciclat
Carbonat de sodi (Na2CO3) Arena de sílice (SiO2)
Les matèries primeres es fonen a més de 1000 ºC El vidre fos flota sobre l'estany formant una làmina uniforme
Estany fos Forn
En refredar-se, es forma una làmina dura de vidre pla
Tema 5 - Els nous materials
- Materials híbrids: Són aquells que estan compostos per dos o més materials molt diferenciats que formen una estructura que posseeix propietats que cap dels seus components té per separat. Encara que visualment puguen presentar un aspecte uniforme, cada constituent conserva la seua identitat i no es mescla amb la resta. En la majoria dels casos, un dels materials serveix de base o matriu i la resta s'allotgen en el seu interior (reforç), dispersos en forma de fibres o partícules. Pot existir un tercer component (interfase) que ajude a conjugar la matriu i el reforç. La matriu és més fàcil de modelar, confereix cohesió al conjunt i protegeix les fibres o partícules que formen el reforç, evitant d'aquesta manera l'aparició de clivelles i distribuint les tensions que pateix el material. El reforç és més dur que la matriu, per la qual cosa aporta rigidesa i resistència. Reforç Interfase Matriu
Tema 5 - Els nous materials
La denominació de material híbrid sol emprar-se per als materials que tenen un reforç microscòpic, mentre que els materials que tenen un reforç macroscòpic es denominen compòsits. Alguns exemples són: Toba: Format per una matriu de fang amb un reforç de palla Plàstic (matriu) reforçat amb fibra de carboni (reforç)
Formigó: Té una matriu de ciment amb un reforç de grava Plàstic (matriu) reforçat amb fibra de vidre (reforç)
Busca quin tipus de materials són el Pykrete i el Cermet
Tema 5 - Els nous materials
4. Millora dels materials tradicionals Amb l'estudi de la matèria a escala atòmica, actualment és possible comprendre el comportament dels materials tradicionals, permetent millorar les seues propietats. Existeixen molts exemples que ens envolten en el dia a dia: ➯ Acers especials: L'acer és un aliatge de ferro i carboni, però aquesta fórmula s'ha millorat amb nous elements com el crom, el níquel, el tungsté o el titani, donant lloc a una gran varietat d'acers que són més durs i lleugers, o que aguanten millor la calor i la corrosió. ➯ Superaliatges: Són mescles homogènies de dos o més elements, dels quals almenys un ha de ser un metall, però tant la composició com l'estructura dels mateixos està fortament controlada per a oferir característiques molt precises com suportar altes temperatures i tensions o evitar l'oxidació i la corrosió. Les turbines dels avions es fabriquen amb superaliatges de níquel, cobalt, titani i crom que han de suportar temperatures de 1500 °C i rotacions de milers de revolucions per minut. Els superaliatges són capaços de suportar aquestes condicions mantenint les seues propietats.
Què és i quines propietats té el Kevlar? Quina utilitat inicial buscava la seua inventora Stephanie Kwolek?
Tema 5 - Els nous materials
5. Nous materials artificials Actualment, amb la revolució tecnològica dels últims segles, els coneixements en física i química i l'aparició de la informàtica, és possible la manipulació de la matèria a escala microscòpica, permetent la creació de materials revolucionaris. Moltes vegades, les idees que permeten els descobriments s'extrauen d'estructures presents a la natura. Els éssers vius estan constituïts per estructures basades en el carboni, ja que pot formar llargues cadenes mitjançant enllaços estables i resistents. Aquestes estructures, anomenades polímers, es formen per la repetició d'una unitat elemental anomenada monòmer, donant lloc a macromolècules com la seda, el midó o la cel·lulosa. Amb aquesta idea es van començar a dissenyar materials artificials com els plàstics o les fibres sintètiques.
Etilé (monòmer)
Polietilé (polímer)
Tema 5 - Els nous materials
➯ Destil·lació fraccionada: El petroli conté molècules denominades hidrocarburs (polímers amb una base de carboni i hidrogen) de molt diverses longituds. La separació dels mateixos es realitza mitjançant una destil·lació fraccionada en la qual la temperatura serveix per a separar les molècules, ja que els seus punts d'ebullició depenen de la longitud de les seues cadenes. Els monòmers del plàstic s'extrauen del petroli o del gas natural. Fraccions líquides que es condensen a cada temperatura
Gas liquat
Torre de destil·lació fraccionada
Nafta: Utilitzat per a diluir el petroli cru Gasolina: Combustible per a vehicles Querosé: Combustibles per a avió, parafina per a enllumenat i calefacció
Petroli cru
El petroli es calfa a 400 ° C per a convertir-lo en vapor
Gasoil: Combustibles dièsel Olis lubricants, abrillantadors
ceres,
Fuel: Combustibles per a vaixells i processos industrials Betum per a camins i sostres
Tema 5 - Els nous materials
➯ Plàstics: Existeixen molts tipus i poden classificar-se atenent el seu comportament enfront de la calor: els termoplàstics es poden fondre, modelar i refredar una vegada i una altra, per la qual cosa es reciclen amb facilitat; els termoestables es cremen si es calfen massa. Existeix un codi que permet una ràpida identificació dels principals tipus de plàstics, la majoria dels quals poden reciclar-se, però això no significa que puguen anar al contenidor groc, ja que la majoria han de reciclar-se en un punt net a excepció dels envasos. Aplicacions primàries típiques
PET
Polietilè tereftalat
En què es transformen o reciclen
Envasos: botelles i safates. Monofilaments. Reforços per a pneumàtics. Cintes de vídeo i àudio.
Envasos per a gasoses i aigua. Fibres tèxtils per a peces de vestir, lones, veles nàutiques, catifes, joguets. Cordes. Fils.
Són els més fàcils de reciclar. Alta transparència i admeten colorants.
PEAD
Polietilè d'alta densitat
Pel·lícules per a envasos. Borses de comerç. Calaixos per a fruites i peixos. Canonades per a aigua, gas, irrigació. Tapes. Joguets.
Fàcils de reciclar. Alta resistència a impactes, químics i temperatures.
Borses de residus domèstiques. Botelles per a detergents i articles de neteja. Canonades i calaixos. Mobiliari urbà (bancs i taules).
Tema 5 - Els nous materials
Aplicacions primàries típiques
PVC
Policlorur de vinil
En què es transformen o reciclen
Canonades. Targetes de crèdit. Productes mèdics. Marcs de finestra. Aïllants per a cables. Botelles. Joguets.
Canonades de construcció, reg i protecció de cables. Mobles de jardí. Baranes. Sabates. Pantalles antisoroll. Articles per a la llar.
Difícils de reciclar, però és possible. Alta resistència i baixa densitat.
PEBD
Polietilè de baixa densitat
Pel·lícules per a envasos. Borses de comerç. Canonades per a l'aigua, irrigació. Aïllants per a cables. Pel·lícules termocontraibles.
Borses de residus domèstiques. Canonades de reg. Films per a ús agrícola. Membranes aïllants de la humitat. Tests.
Difícils de reciclar, però és possible. Alta resistència a impactes i químics.
PP
Polipropilè
Embolcalls d'aliments. Contenidors. Efectes domèstics. Bateries. Peces per a motors. Canonades. Medicina (xeringues d'un sol ús). Cadires i taules.
Difícils de reciclar, però és possible. Molt resistents i fàcils de modelar.
Contenidors. Calaixos. Peces per a motors. Cadires, bancs, taules, mobiliari urbà. Productes injectats.
Tema 5 - Els nous materials
Aplicacions primàries típiques
PS
Poliestirè
Envasos lactis (iogurts, postres...). Envasos d'un sol ús (vaixella, safates per a aliments...). Aïllants. Joguets.
En què es transformen o reciclen Articles i accessoris d'oficina i llibreria. Marcs de fotos. Sòcols. Penjadors. Tests.
Difícils de reciclar, però és possible. L'exposició tèrmica allibera productes químics.
Altres
PA, ABS, SAN, acrílico, PC y otros
Indústria automobilística. Electrodomèstics. Peces industrials. Matalassos. Articles electrònics i de construcció.
Molt difícils de reciclar. No se sap amb certesa els tipus de resines que contenen.
Es fabriquen productes injectats i parts d'instal·lacions elèctriques.
Tema 5 - Els nous materials
➯ Fibres sintètiques: El niló va ser la primera fibra artificial, patentat en 1938 per a substituir a la seda amb la característica de ser molt forta i elàstica. El primer ús va ser per a produir mitges, però prompte es va destinar a produir materials per a la Segona Guerra Mundial com a cordes i paracaigudes. Amb el pas dels anys s'han sintetitzat més fibres sintètiques com el polièster, les fibres acríliques i la licra. ➯ Aerogels: Compostos formats per un 90% d'aire i la resta pot contenir sílice, alúmina, carboni o zirconi. Es caracteritzen per ser molt lleugers, excel·lents aïllants, suporten molt pes i són reciclables.
Propietat d'aïllant tèrmic dels aerogels
2 g d'aerogel suportant un pes de 2,5 kg
Tema 5 - Els nous materials
➯ Materials biocompatibles: Es dissenyen per a integrar-los dins d'un organisme viu, evitant el rebuig que pot generar-se en un trasplantament d'una altra persona. Les seues aplicacions són mèdiques, com a teixits artificials, vàlvules cardíaques o pròtesis. ➯ Fibra òptica: Filaments de vidre (sílice) de gran puresa recoberts de material òptic que reflecteix la llum cap a l'interior, mantenint-la en la fibra. S'utilitza en la transmissió d'informació mitjançant la llum.
Vàlvules cardíaques de silicona impreses en 3D
Transmissió de la llum per la fibra òptica
Què són els cabells de Pelé? Per què reben aquest nom?
Tema 5 - Els nous materials
➯ Nanotecnologia: És la manipulació de la matèria a escala nanomètrica (1 nm = 10-9 m), és a dir, manipular de manera precisa els àtoms i les molècules per a la producció de nous materials. En treballar amb els àtoms que formen les molècules, es poden formar estructures específiques i la puresa dels materials resultants és exacta, per la qual cosa s'obri un ventall quasi il·limitat de noves possibilitats i prestacions.
Mitocondri
Glòbul roig Cloroplast
Proteïna Àtom
Aminoàcid
Òvul humà
Bacteri
Ou de gallina
Virus Nucli
Ribosoma
Bacteris xicotets
Microscopi electrònic
Cèl·lula epitelial
Microscopi òptic
Humà adult
Ou de granota
Algunes neurones
Ull humà
1 m = 1000 mm = 1000000 𝜇m = 1000000000 nm
Tema 5 - Els nous materials
El material més famós és el grafé, un material format exclusivament per àtoms de carboni que s'organitzen formant una malla d'hexàgons similar al grafit. La malla de grafé té el gruix d'un àtom, és 200 vegades més resistent que l'acer i cinc vegades més lleuger que l'alumini, és transparent, flexible i bon conductor de l'electricitat i de la calor. A les seues característiques bàsiques cal sumar-li les propietats que pot tindre si s'utilitza per a crear materials híbrids o aerogels, formant materials més conductors, més resistents o més elàstics.
Tema 5 - Els nous materials
➯ Dispositius electrònics: En l'actualitat, existeixen multitud d'aparells amb circuits integrats com a mòbils, tauletes, ordinadors, cotxes o electrodomèstics. Tots ells es componen d'una varietat enorme de materials gràcies al coneixement dels elements químics que conformen la taula periòdica. De fet, un telèfon mòbil conté un mínim de 70 dels 94 elements que existeixen a la natura, per la qual cosa la seua construcció implica l'extracció de molts minerals o roques, la correcta separació dels elements desitjats, la seua manipulació i la creació dels centenars de components que el formen.
Què és el tàntal? I el coltan? Què es fabrica amb el tàntal? En quins països es troba el coltan? Quins impactes es deriven del seu ús?
Tema 5 - Els nous materials
Pantalla
Electrònica
Indi Oxigen Estany
Alumini
Silici
Oxigen
Potassi
Itri
Lantani
Terbi
Praseodimi
Europi
Disprosi
L'òxid d'indi i estany s'empra en l'elaboració de pel·lícules transparents que condueixen l'electricitat. Permeten que la pantalla siga tàctil
El cablejat usa coure que, juntament amb l'or i la plata, és el metall principal dels components microelectrònics. El tàntal és el més important que inclouen els microcondensadors
El vidre emprat en la majoria de les pantalles és un aluminosilicat (mescla d'alúmina i sílice) que també conté ions de potassi per a enfortir-lo
El níquel es troba en els micròfons i en altres connexions elèctriques. El praseodimi, gadolini, neodimi, terbi i disprosi en els imants, altaveu, micròfon i el dispositiu de vibració
Existeixen xicotetes quantitats d'uns elements denominats "terres rares", responsables de produir els colors de la pantalla i per a reduir la penetració de la llum UV en el mòbil
El silici s'utilitza en el xip del telèfon, el qual s'oxida per a produir zones no conductores. Després s'afigen altres elements per a permetre que el xip conduïsca l'electricitat L'estany i el plom s'usen per a soldar els compostos electrònics al telèfon. Si no té plom s'utilitza coure i plata
Gadolini
Bateria Liti
Cobalt
Alumini
Plata
Or
Tàntal
Disprosi Praseodimi
Terbi
Neodimi
Gadolini
Silici
Oxigen
Antimoni
Arsènic
Fòsfor
Gal·li
Estany
Plom
Carcassa Oxigen
Carboni
Níquel
Coure
La majoria són d'ions de liti, que posseeixen òxid de cobalt o liti com a elèctrode positiu i grafit (carboni) com a elèctrode negatiu (altres bateries poden emprar metalls com el manganés). La coberta que la protegeix sol ser d'alumini
Algunes es fabriquen amb un aliatge de magnesi que inclou níquel per a reduir la interferència electromagnètica. Unes altres són de plàstic, però solen incloure compostos retardants del foc com el brom
Metalls alcalins
Elements del grup 13 (grup del bor)
Elements del grup 16 (amfígens)
Metalls alcalinoterris
Elements del grup 14 (grup del carboni)
Halògens
Metalls de transició
Elements del grup 15 (grup del nitrogen)
Lantànids
Carboni
Magnesi
Brom
Níquel
Tema 5 - Els nous materials
6. Localització, producció i consum de materials Quan s'entén la importància dels materials per al desenvolupament de les societats, és més fàcil comprendre les disputes que s'estableixen entre elles per a controlar-los, sent un dels motius més freqüents de les guerres passades. A partir del segle XV es va iniciar el colonialisme, aconseguint el seu màxim desenvolupament en el XIX, on els països europeus van aconseguir el control polític i econòmic del continent americà, Àfrica i parts d'Àsia, explotant els seus recursos per a augmentar la seua tecnologia i riquesa al mateix temps que generaven esclavitud, eliminaven els seus costums i idioma, contaminaven i empobrien als països d'origen. En l'actualitat, amb la globalització, la lluita per obtenir matèries primeres s'ha estés al planeta sencer. La paradoxa radica en el fet que molts països rics en matèries primeres no obtenen cap benefici per culpa de les pràctiques polítiques, en molts casos dictadures, i les abusives tècniques empresarials que exploten als treballadors i no reporten cap benefici al país. Aquest fet fomenta que els països que es beneficien augmenten el seu desenvolupament i riquesa mentre que els països on es localitzen els recursos siguen cada vegada més pobres.
Tema 5 - Els nous materials
Soja Petroli Aigua Blat Plata Gas natural Cotó Arròs Dacsa Cautxú Urani Diamants Or
Tema 5 - Els nous materials
Electricitat
Gas natural
Dacsa
Cotó
Carbó
Petroli
Blat
Arròs
Tema 5 - Els nous materials
7. Els residus L'últim problema que cal tindre en compte són els residus, ja que en les civilitzacions antigues s'utilitzaven materials naturals amb períodes molt curts de degradació, però en l'actualitat, l'alt grau de transformació que pateixen les matèries naturals i l'aparició de materials artificials, fa que siga més difícil la seua descomposició o que siguen tòxics per al medi ambient. Un residu es defineix com qualsevol substància, material o forma d'energia alliberat al medi ambient per l'activitat humana i capaç de produir contaminació o un impacte ambiental. Es poden produir en el sector primari (fertilitzants, pesticides, metalls pesants), secundari (residus químics, radiacions i gasos contaminants) o terciari (plàstics, vidres o residus radioactius i químics), per la qual cosa la seua gestió serà crucial per a eliminar les possibles contaminacions que generen i per a poder reutilitzar-los, minimitzant així els impactes que produeixen en els ecosistemes del nostre planeta. Tal com es va comentar en el tema passat, davant la lentitud i falta de compromís dels polítics, així com la dificultat d'arribar a acords mundials, la responsabilitat recau en tots i cadascun de nosaltres, i hauríem de plantejar-nos una sèrie de preguntes abans de comprar un producte:
Tema 5 - Els nous materials
L'obtenció de matèries primeres implica la seua extracció, transformació i transport, els quals impliquen conflictes entre països i guerres, un alt consum energètic i la modificació de l'entorn als països d'origen: Quines matèries primeres conté el producte que volem comprar? D'on procedeixen? Com s'obtenen? Les societats actuals es basen en el consum, generant noves necessitats que en moltes ocasions són innecessàries o poden ser cobertes d'una altra manera: Què necessite? Per a què ho utilitzaré? Durant quant temps ho necessitaré? Tant les matèries primeres que conté un producte com el seu lloc de fabricació solen estar molt lluny del lloc de venda. Aquests factors fan que la petjada ecològica que generen siga molt alta i tinga uns efectes molt negatius en el medi ambient, en les condicions de treball de les persones que el produeixen i en la pèrdua d'ocupacions en els llocs on es compra: He de considerar alguna cosa més que el preu d'un producte?
Tema 5 - Els nous materials
Com s'hauria de calcular el preu d'un producte? En quins països es produeixen tots els components que té el producte?
Quines condicions laborals tenen els treballadors dels països on es fabrica?
Quina degradació pateix el territori?
S'emeten substàncies contaminants?
Quins residus es generen? Com es gestionen?
Els recursos s'esgotaran per a les generacions futures?
El consumidor no ha de fixar-se únicament en el preu, ha de preguntar-se qui el fabrica, en quines condicions, quines conseqüències té per al medi ambient i quins recursos es precisen per a la seua fabricació. La inacció dels governs i l'opacitat de les empreses en aquests assumptes es deu a la falta de compromís dels consumidors, ja que aquests aspectes no es consideren a l'hora de comprar un producte.