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Bienvenid@s a la primera de una serie de publicaciones que dedicaré a hablaros de uno de esos materiales que nos rodean por todas partes, que usamos constantemente en miles de aplicaciones, y al que quizás no le estábamos dando la importancia que se merece porque su nombre no suena tan «wai» como todo lo que empieza por «nano» o «fibra de», etc.

Pero, antes de nada… y para no empezar la casa por el tejado: ¿Qué es la ciencia e ingeniería de materiales? ¿Qué diferentes tipos de materiales nos rodean?

La ciencia de materiales se dedica a «observar» como es la relación entre la estructura de un material y sus propiedades.

La ingeniería de materiales hace uso de la información obtenida gracias a la ciencia de materiales y actúa en consecuencia. «Juega» con la estructura del material para conseguir que tenga las propiedades deseadas.

Diferencia entre ciencia e ingeniería de materiales ¿Qué son?

Conviene diferenciar entre ciencia de materiales e ingeniería de materiales. Por un lado; la ciencia de materiales investiga la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales. En cambio; la ingeniería de materiales busca obtener un conjunto determinado de propiedades y diseña o proyecta la estructura de un material para este fin, fundamentándose en la relación estructura-propiedades del material (previamente investigada por la ciencia de materiales).

¿Qué es la «estructura» de un material?

Las propiedades de un material están íntimamente relacionadas con su estructura en todos sus niveles: subatómico, atómico, microestructural y macroestructural.

Modificando la estructura de un material (en sus diferentes niveles) se pueden modificar sus propiedades.

Si buscamos la definición de estructura en la RAE, la primera entrada la define como: «Disposición o modo de estar relacionadas las distintas partes de un conjunto». Entonces, si pensamos el material en sí como un conjunto, nos iremos encontrando en su interior subconjuntos cada vez de menor tamaño (como una muñeca rusa). Por ello, la estructura de un material debe estudiarse a diferentes niveles:

  • Nivel subatómico – estructura subatómica: como están dispuestos los electrones dentro de su átomo individual y como interactúan con su núcleo.
  • Nivel atómico – estructura atómica: cómo se organizan los átomos y moléculas entre sí.
  • Nivel microscópico – microestructura: cómo están dispuestos grandes grupos de átomos enlazados entre sí. Este nivel de estructura puede ser observado mediante el uso de algún tipo de microscopio.
  • Nivel macroscópico – macroestructura: todos los elementos estructurales apreciables a simple vista.
Descripción de los distintos niveles estructurales de un material mediante dos ejemplos (a la izquierda para un acero y a la derecha para una espuma de PU)

… ¿Y las «propiedades»?

Todo material durante su vida en servicio (durante su utilización) va a estar expuesto a diferentes estímulos que provocarán algún tipo de respuesta. Por ejemplo: si se le aplica una carga o fuerza a un material (estímulo); este, en función de la magnitud del estímulo recibido, responderá deformándose de alguna manera. Entonces: expresamos las propiedades de un material en términos del tipo de respuesta y de la magnitud de su respuesta a un estímulo específico impuesto. Volviendo al ejemplo anterior: si quiero cuantificar las propiedades mecánicas de un material, tendré que imponerle un estímulo en forma de esfuerzo mecánico (tracción, compresión, cizalla, etc.) y medir la magnitud de su respuesta ante este estímulo que le he impuesto (cuanto se deforma o cuanto aguanta sin romper).

En la tabla inferior se muestra un posible ejemplo de clasificación de las propiedades; aunque existen diferentes formas de clasificarlas. En algunas referencias agrupan las propiedades eléctricas, magnéticas, ´ópticas y térmicas dentro de las físicas; en otros casos establecen nuevas categorías: como propiedades ecológicas; o ignoran la categoría de propiedades tecnológicas.

PropiedadMECÁNICASELÉCTRICASMAGNÉTICASÓPTICASTÉRMICASFÍSICASQUÍMICASTECNOLÓGICAS
Estímulo característicoCarga o fuerzaCampo eléctricoCampo magnéticoRadiación electromagnética o lumínicaCalor Substancia químicaCualquier alteración producida durante el proceso de fabricación o conformado
Posibles respuestas (ejemplos)DeformaciónPermitiendo o no el movimiento de cargas en su interiorMagnetizaciónReflexión, absorción o transmisión de la energía incidenteDilatación, contracción,conducción o no del calor Reaccionando o no con dicha substanciaComo realmete las propiedades tecnológica son mezcla de las propiedades anteriores, las respuestas son muy variadas
Ejemplos de propiedadesMódulo elásico, dureza, resistenciaConductividad eléctrica, constante dieléctricaPermeabilidad, susceptibilidad magnéticaÍndice de refracción o reflectividad, polarizaciónCapacidad calorífica, conductividad térmica, punto de fusiónPeso específico, densidadComportamiento a corrosión, durabilidad,inflamabilidadSoldabilidad, forjabilidad, maquinabilidad, colabilidad, maleablidad
Tabla de una posible clasificación de las propiedades de los materiales

Enlaces interatómicos

Las diferentes fuerzas interatómicas que nos podemos encontrar en un material van a condicionar las propiedades de los materiales y se van a usar como un criterio de clasificación de los mismos.

Partimos de que tenemos clara la estructura de un átomo y los principios básicos de la mecánica cuántica-ondulatoria (números cuánticos y niveles de energía) . Sabemos que los electrones que llenan la última capa de un átomo reciben el nombre de electrones de valencia. Y estos son muy muy importantes porque son los que participan en el enlace entre agregados atómicos y moleculares.

Para que un átomo sea electrónicamente estable debe poseer 8 electrones en su capa de valencia (configuración electrónica de gas noble). Y os cuento esto porque todos los tipos de enlace primario surgen de la tendencia de los átomos a adquirir una configuración electrónica estable.

Enlace iónico

  • Siempre existe en compuestos formados por elementos metálicos y no metálicos (columnas derecha e izquierda de la tabla periódica respectivamente).
  • Los átomos de los elementos metálicos ceden fácilmente sus electrones de valencia (muy electropositivos) a los átomos del no metal (muy electronegativo) que es un buen aceptor de electrones.
  • Los átomos adquieren una configuración estable (8 electrones en la capa de valencia) ionizándose (cediendo o ganando electrones).
  • Es un enlace NO direccional: su magnitud es igual en todas las direcciones alrededor de un ion.
  • Los iones se posicionan en una red cristalina (y no por pares de átomos). Para que un material iónico sea estable: los iones (+) tienen que tener como vecinos en las 3 direcciones a iones (-). Los iones de un mismo signo no están en contacto.
  • Suelen presentar energías de enlace elevadas.
  • Los sólidos iónicos no tienen gran interés como materiales estructurales.

Enlace covalente

  • Existe entre átomos de elementos no metálicos (derecha de la tabla periódica). Se puede dar entre átomos iguales o distintos (pero no metálicos).
  • Se comparten los electrones de valencia, que pasan a una nueva órbita alrededor de los 2 núcleos. Dos átomos unidos covalentemente contribuyen cada uno al enlace con al menos un electrón. Y los electrones compartidos se consideran de ambos átomos.
  • Los átomos adquieren su configuración electrónica estable compartiendo electrones.
  • Es un enlace direccional: sólo existe en la dirección en que hay electrones compartidos.
  • El número de enlaces covalentes posibles para un átomo particular depende del número de electrones de valencia.
  • Pueden dar lugar a sólidos moleculares y a sólidos covalentes.
  • SÓLIDOS MOLECULARES: moléculas biatómicas, triatómicas , etc. cuyos átomos se han unido covalentemente y que posteriormente se unen entre sí mediante enlaces secundarios.
  • SÓLIDOS COVALENTES: formados por átomos con capacidad/necesidad de generar 4 enlaces covalentes; que forman una malla en 3 direcciones que va enlazando consecutivamente a todos los átomos del sólido.
  • Pueden presentar energías de enlace muy fuertes (diamante) o muy débiles (bismuto).

Enlace metálico

  • Entre átomos metálicos (izquierda de la tabla periódica) que pueden ser iguales o distintos.
  • Por su carácter electropositivo, los átomos metálicos tienen tendencia a ceder todos los electrones de la capa externa para quedarse con los de la capa anterior ya completa.
  • Es un enlace NO direccional.
  • El núcleo y los electrones que no son de valencia forman cationes, situándose ordenadamente y de la forma más compacta posible en una red cristalina . Y los electrones de valencia que fueron liberados quedan alrededor de ellos formando un mar o nube de electrones.
  • Los electrones libres actúan como elemento de unión entre los iones (+). Y contrarrestan las fuerzas repulsivas generadas entre estos últimos.
  • El enlace generado puede ser fuerte o débil.
  • La movilidad de la nube de electrones generada justifica la conductividad eléctrica y térmica de los materiales metálicos.

La fuerza de los enlaces químicos se puede estimar mediante la temperatura de fusión o descomposición, como una medida de la energía cinética de vibración acumulada en el átomo que es suficiente para superar las fuerzas de enlace. Por ello, los materiales con una mayor energía de enlace poseerán mayores temperaturas de fusión o descomposición.

Además de los enlaces primarios o interatómicos, existen los enlaces secundarios o intermoleculares, también llamados enlaces de Van der Waals o enlaces físicos. Son enlaces que se dan entre moléculas individuales previamente formadas por enlaces covalentes y en los gases nobles (que tienen una configuración electrónica estable). Aunque realmente existen entre todos los átomos de las moléculas, su presencia puede despreciarse si existe algún tipo de enlace primario; ya que son considerablemente más débiles que estos últimos.

Los enlaces secundarios surgen de los dipolos que aparecen cuando existe una separación entre las regiones positiva y negativa de un átomo o molécula. Y por lo tanto, el enlace es consecuencia de la atracción entre el extremo negativo de un dipolo con la región positiva del vecino. Se pueden clasificar en: enlace dipolo inducido fluctuante, enlace dipolo inducido-molécula polar o enlaces con dipolos permanentes (siendo el enlace por puente de hidrógeno un caso particular de este último). Se han citado por orden de menor a mayor magnitud de energía de enlace.

Tipos de materiales

A grandes rasgos, se suelen clasificar los materiales en 4 categorías principales: cerámicos, poliméricos, metálicos y materiales compuestos.

Materiales cerámicos

  • Sólidos formados por enlaces covalentes (sólidos covalentes) o iónicos-covalentes.
  • En su composición química intervienen elementos químicos del Grupo IV y de grupos adyacentes (tanto metales como no metales).
  • Óxidos, carburos y nitruros.
  • Este grupo incluye los minerales de arcilla, el cemento, vidrio. Los silicatos (mezcla de sílice con óxidos metálicos) se utilizan para obtener productos de loza y tierra cocida, tejas y ladrillos. Y también están las cerámicas técnicas, que son productos de alta pureza de origen sintético.
  • Características: por lo general presentan más capacidad de aislamiento térmico y eléctrico que los polímeros y los metales. En cuanto a propiedades mecánicas son duros pero extremadamente frágiles.

Materiales poliméricos

  • Son compuestos basados en carbono, hidrógeno y otros elementos no metálicos.
  • Sólidos moleculares formados por moléculas de grandes dimensiones: macromoléculas.
  • En los polímeros los átomos están unidos entre sí por enlaces covalentes pero formando moléculas individuales (macromoléculas). Estas moléculas están unidas entre ellas por enlaces secundarios: que son los enlaces que determinarán las propiedades finales del polímero como material sólido.
  • Las características de estos materiales son muy variadas en función de su composición y estructura molecular

Materiales metálicos

  • Combinaciones de elementos metálicos (aleaciones), o un mismo metal (metal puro) unidos por enlace metálico.
  • Sus propiedades se deben al gran número de electrones deslocalizados (mar de electrones propio del enlace metálico) que no pertenecen a ningún átomo.
  • Características generales: conductores del calor y de la electricidad, opacos a la luz visible, resistentes, etc..

Materiales compuestos

  • Están formados por más de un tipo de material y diseñados para alcanzar la mejor combinación de las características de cada componente.
  • Los constituyentes conservan su identidad química.
  • Ejemplos: materiales de matriz polimérica reforzada con fibras, materiales de matriz cerámica reforzada con partículas, etc..
  • Las propiedades son muy variadas porque existen muchos tipos diferentes de materiales compuestos.

Y después de este rollo: ¿Qué es el poliuretano?

El poliuretano es un material polimérico, y por ello dedicaré la siguiente publicación de esta serie a hablar en profundidad de los polímeros. Nos vemos en la próxima ¡No te la pierdas!

Bibliografía:

Callister, W., 2000. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. Barcelona: Reverté

Güemes Gordo, A., Martín Piris, N., 2012. Ciencia de materiales para ingenieros. Madrid: PEARSON EDUCACIÓN S.A.

https://dle.rae.es/estructura

Imágenes recuperadas de:

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Aida Martínez Barja
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Estudiante de Máster en Ingeniería de Materiales (UPM) -- Graduada en Ingeniería Aeroespacial / Mención en Materiales (UVIGO)

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