Tema 7, Nuevos Materiales

En este articulo hablaré sobre los nuevos materiales y como han cambiado nuestra vida radicalmente. Así podría ser nuestra vida en un futuro muy cercano gracias a estos nuevos materiales:

Me despierta el sonido de mi canción en mi móvil, necesita ser cargado. Lo haré mientras preparo el café,  gracias a su batería de grafeno  se carga en 10 minutos no tendré que volver a cargarlo hasta la próxima semana.

En el desayuno veo las noticias en la pantalla LED (4K ultra HD con sus nuevos transistores fabricados con  semiconductores) sobrepuesta en la encimera de la cocina , al mismo tiempo reviso mi correo y compruebo que tengo que hacer en el día de hoy. En menos de un segundo se descargan los informes para mi trabajo gracias a la conexión de fibra óptica.  Presiono en el paquete de cereales sobre una pequeña  banda de siliceno que me informa de las calorías que voy a  consumir con una ración y lo que debo ingerir para estar sano.

Salgo a trabajar con  mi vehículo eléctrico construido con fibra de carbono. Pido a mi coche que me informe de las últimas noticias internacionales y me habla de la guerra del coltán en Centroáfrica. Aparco frente a la estación y para llegar a la oficina montó en un maglev.  

Ya en la oficina deseo que mis avances en mi proyecto  fueran  tan rápidos como los nuevos microprocesadores de mi portátil.

Tengo que comer en la oficina. Me traen mi comida en un bandeja de poliestireno protegida con film transparente.

Por la tarde me toca visitar al oculista para revisar mi vista. Mi visión ha mejorado, ya no necesito mis lentes de contacto desde que llevo implantadas lentes de metaflex.  No se me debe olvidar llamar el dentista para el empaste de composite de mi muela.  Cuando llegue a casa tengo que reparar mi pala de padel  fibra de carbono con pegamento epoxi. Me han dicho que no se va a notar y así el próximo fin de semana podré estrenar mis nuevas zapatillas con plantillas de aerogel.

Estoy deseando llegar a casa y tumbarme a descansar en mi colchón de poliuretano. Estoy agobiada porque tengo que terminar mi proyecto. Me dedico al reciclaje y aprovechamiento de los desechos de los productos fabricados con nuevos materiales. Es tan importante encontrar un uso para ellos como encontrar la mejor forma de eliminarlos o reutilizarlos. Tengo que encontrar la solución ideal para el  reciclaje de las tuberías  y ventanas de PVC ...

Fibra de carbono

La fibra de carbono está formada por hebras muy finas de carbono (aprox. del grosor del cabello humano). Las hebras se tejen y se colocan sobre un molde, que se recubre con una resina plástica para obtener la forma deseada. La fibra de carbono es un material muy resistente pero también es extremadamente ligero (es cinco veces más fuerte que el acero, dos veces más rígido, pero pesa alrededor de dos tercios menos) .

La fibra de carbono se utiliza actualmente en la aeronáutica, la construcción e ingeniería, en material deportivo y en vehículos de alto rendimiento como los  coches de carreras de F1

Las futuras  posibilidades de uso de este material se encuentra en la fabricacion de automóviles. Con un chasis  de fibra de carbono más ligero (en vez de acero),  se podrían construir coches con motores más pequeños y eficientes, o aumentar el uso de motores eléctricos, con lo que se reduciría el consumo de combustible en un 30 por ciento y las emisiones de gases en un 10 a 20 por ciento.

Pero ¿por qué no se generaliza el uso de la fibra en la fabricación de los coches?  Porque cuesta diez veces más que el acero y porque se genera una gran cantidad de residuos y no es fácil de reciclar. La fibra de carbono reciclada ya  no es tan resistente como lo era antes de reciclar y no  puede tener los mismos usos.

Grafeno

Este material está formado por átomos de carbono agrupados en finas láminas de dos dimensiones en forma de celdas hexagonales. El grafeno se obtiene a partir del grafito,  sustancia muy abundante en la naturaleza (lo tenemos en la mina de los lápices). En 2004, los científicos de origen ruso Novoselov y Geim consiguieron aislarlo a temperatura ambiente, y gracias a ello obtuvieron el Premio Nobel de Física en 2010.

Las principales propiedades de este material es su dureza, resistencia, flexibilidad y ligereza, lo que permite moldearlo según las necesidades de cada caso. Conduce muy bien tanto el calor como la electricidad y permanece en condiciones muy estables cuando se le somete a grandes presiones.

Se investiga  sus posibles aplicaciones en el campo de la electrónica, donde a través de su capacidad para almacenar energía podría dotar a las baterías de una mayor duración y un menor tiempo de carga, establecer conexiones más rápidas y  contribuir a mejorar el medio ambiente sustituyendo a materiales contaminantes. En el ámbito de la salud, las prótesis de grafeno podrían sustituir a las actuales y  se podría aplicar para mejorar el tratamiento de algunas enfermedades.

¿Si el grafeno tiene tantas cualidades, por qué no se emplea en mayor medida para mejorar nuestra calidad de vida?

Para que conserve todas sus propiedades, el mineral ha de ser de la mayor calidad posible y su producción es muy costosa. Con el método tradicional de obtención se consigue grafeno de muy alta calidad, pero la cantidad producida es mínima y resulta insuficiente para  su uso industrial.

Fibra óptica

Un cable de fibra óptica se compone de un un hilo muy fino (de tamaño similar al del cabello humano ) de vidrio puro y un recubrimiento, también de vidrio, con un revestimiento externo plástico de protección.  

Se utiliza en la transmisión de redes de datos. El sistema emisor envía pulsos de luz  desde un láser o un diodo LED. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el interior del núcleo de vidrio de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total, y el sistema receptor recoge la señal mediante un fotodiodo.

Esta fibra se utiliza actualmente en telecomunicaciones. Es capaz de enviar señales a varios kilómetros de distancia sin pérdida significativa de fuerza, permite una  mayor velocidad de transmisión, evita interferencias electromagnéticas exteriores y protege de accesos no autorizados. Además, en medicina la fibra óptica se emplea  en los endoscopios, y en la industria para la iluminación de lugares de difícil acceso.

Sin embargo la fibra óptica presenta una serie de desventajas frente a otros medios de transmisión como los cables de cobre. Las fibras son muy frágiles, se necesitan transmisores y receptores bastante costosos y es complicado realizar empalmes entre fibras, lo que dificulta las reparaciones en caso de ruptura del cable.

Coltán

Este  término proviene de la unión de dos minerales: la columbita (óxido de niobio con hierro y manganeso ) y la tantalita ( óxido de tántalo con hierro y manganeso.  Estos óxidos constituyen una solución sólida completa entre ambos minerales que recibe el nombre de coltán.

Debido a sus propiedades, tales como superconductividad, su carácter ultrarrefractario (es  capaz de soportar temperaturas muy elevadas), ser un capacitor (almacena carga eléctrica temporal y la libera cuando se necesita), su alta resistencia a la corrosión y a la alteración , el coltán es fundamental para el desarrollo de la electrónica (telefonía móvil, ordenadores, videojuegos...), medicina (implantes), industria aeroespacial (levitación magnética) y para la industria bélica (armas inteligentes).

Al ser muy  escaso en la naturaleza y  debido a sus posibles aplicaciones en los avances tecnológicos  se ha convertido en un material estratégico. La República Democrática del Congo posee el 80% de las reservas mundiales, pero su explotación ha provocado una guerra civil en este país desde 1998  para conseguir el control de este material. Además los incontrolados métodos de explotación han causado desastres medioambientales con gravísimas repercusiones en la fauna local de especies protegidas (gorilas, elefantes), e incluso a graves problemas de salud para los trabajadores.

Semiconductores

Los semiconductores se llaman así porque bajo ciertas condiciones tienen características de materiales conductores, y bajo otras condiciones se comportan como aislantes. La conductividad de un elemento semiconductor se puede variar aplicando uno de los siguientes métodos: elevando su temperatura, introduciendo impurezas dentro de su estructura cristalina o incrementando la iluminación

Los  semiconductores son los materiales que han revolucionado la electrónica y la tecnología, ya que  constituyen la principal materia prima,  en especial el silicio, de los diodos y los transistores. Sus propiedades se utilizan para rectificar corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, para funcionar como interruptores  y para almacenar información en la memoria de los ordenadores.

Los semiconductores ya forman parte de los televisores, equipos de diagnóstico médico, videojuegos, ordenadores y radios de nuestros días.

Superconductores

Un superconductor es un material que no opone resistencia al flujo de corriente eléctrica. Esta propiedad, llamada superconductividad, está presente en muchos metales. Un superconductor se define por dos características:

- por la pérdida de resistividad a partir de cierta temperatura característica de cada material, denominada temperatura crítica (Tc).

- por la capacidad expulsar el flujo magnético de su interior, dando lugar al fenómeno de levitación magnética.

Prácticamente cualquier metal y ciertos compuestos cerámicos presentan estas cualidades a temperatura de cero absoluto ( 273,15 grados bajo cero).  El reto científico está en hallar nuevas aleaciones que sean superconductores a temperaturas fáciles de obtener.

Actualmente se investiga el uso de electroimanes superconductores para disminuir el peso y las dimensiones de los generadores de energía eléctrica, para mejorar eficiencia energética (por ej. cables que conducen la electricidad sin pérdidas de energía) y para transportes (trenes que levitan sobre los raíles, llamados maglev de “magnetic levitation”). En informática  se persigue fabricar  procesadores que resistan sin sobrecalentarse.  

Composites

La industria buscaba un material que fuera resistente y rígido como los metales, a la vez que ligero como los polímeros y que resistiera las altas temperaturas y la corrosión como los cerámicos. Los materiales compuestos o composites surgen como respuesta a esta demanda de nuevos materiales con propiedades que son imposible de reunir en un solo material.

Normalmente muchos de estos materiales compuestos o composites incorporan una fibra y un  plástico. La fibra proporciona la estructura y la fuerza, mientras que un polímero plástico mantiene la fibra junta. Las fibras más comunes en los materiales compuestos  incluyen: fibra de vidrio, de carbono, de aramida, de basalto. Las resinas plásticas más usadas ​​en materiales compuestos son epoxy, vinilo, poliéster, poliuretano, polipropileno.

Los usos más comunes de los composites se dan en la industria del transporte (automovilística, aeronáutica y la construcción naval),  equipación  deportiva (palos de golf, raquetas de tenis, tablas de surf, palas de padel ,etc ), palas de las turbinas de viento, materiales de construcción (tuberías ..) , empastes en odontología.

En comparación con los materiales comunes, tales como metal y madera, los composites  proporcionan  un gran beneficio: la ligereza. En el transporte, menos peso equivale a un mayor ahorro de combustible. Mientras que en la energía eólica  cuanto menor sea el peso de la pala del molino, más potencia  puede producir la turbina. Además, las ventajas más importantes de los materiales compuestos son que no es corrosivo, no es conductor, es flexible y duradero y no necesita mucho mantenimiento.

Poliestireno

El poliestireno es un polímero termoplástico que se obtiene por un proceso denominado polimerización, que consiste en la unión de muchas moléculas pequeñas (monómeros) para lograr moléculas más grandes. La sustancia obtenida es un polímero. Para la obtención del poliestireno, se calienta etilbenceno  en presencia de un catalizador para dar lugar al estireno. En estos polímeros las fuerzas intermoleculares son muy débiles y al calentar las cadenas pueden moverse unas con relación a otras y el polímero puede moldearse, y en cuanto se enfría se endurece.

Según la técnica de transformación (extrusión, inyección o soplado )se obtienen productos con diversas aplicaciones.  Se producen por extrusión tuberías, perfiles, vigas y materiales similares. Por inyección se fabrican como bolígrafos, utensilios de cocina, juguetes, etc. Por extrusión con soplado se obtienen las botellas de plástico.

Las principales ventajas del poliestireno es su resistencia a la humedad y su capacidad de aislamiento térmico. Es ligero, resistente y duradero. Es muy sencillo de manipular para dar la forma y tamaño requerido.

Sus inconvenientes  es que no es resistente a los disolventes orgánicos y no se puede utilizar en combinación de ciertos plásticos. Además no se especula que ciertos  productos químicos se puedan  filtrar  en las bebidas o alimentos calientes tomados en recipientes fabricados con este material.

El PVC

Se obtiene por polimerización del cloruro de vinilo a partir de  cloruro de sodio y petróleo. Es un material termoplástico, es decir, bajo la acción del calor (140 a 205ºC) se reblandece pudiendo moldearse fácilmente; cuando se enfría recupera la consistencia inicial conservando la nueva forma.

El PVC ocupa un lugar destacado entre los plásticos por su interesante conjunto de propiedades, pues es un material ligero, resistente, no propaga la llama de fuego, impermeable, aislante (térmico, eléctrico y acústico), resistente a la intemperie, de elevada transparencia, protege los alimentos,  es fácil de transformar, y es totalmente reciclable.

El PVC se utiliza mayoritariamente en la industria de la construcción (tubos, ventanas, puertas, persianas, muebles, etc.), para bienes de consumo (electrodomésticos, automóvil, tapicerías, mangueras, juguetes, etc.). y en productos para el hogar (botellas, tarrinas, film para embalaje, etc.).

Al ser estable e inerte se emplea en medicina en la producción de catéteres y bolsas para sangre.

Actualmente se debate sobre los posibles problemas de salud y para el medio ambiente causados por los plásticos de PVC. Esto se debe a las toxinas que se liberan durante su fabricación, en caso de incendio, o cuando se desecha en los vertederos. Estas toxinas se han relacionado con problemas de cáncer, alteraciones endocrinas, de asma y de los pulmones. Al ser estable e inerte se emplea en medicina en la producción de catéteres y bolsas para sangre.

Poliuretano

Es un polímero que se obtiene por reacción de un poliol con un diisocianato o un isocianato en presencia de catalizadores y aditivos adecuados.

El poliuretano es un material con una amplia gama de aplicaciones comerciales debido a su facilidad de aplicación y sus propiedades aislantes y de resistencia. Se usa para fabricar  colchones, aislante para neveras y congeladores,  recubrimientos y solería, adhesivos, rodillos y ruedas, suelas, ropa deportiva …

Sus desventajas son su poca durabilidad, especialmente cuando se expone a la luz directa del sol y el olor  irritante que emite, por ser un producto derivado del  del petróleo. Las personas que están expuestas durante largo tiempo al poliuretano pueden experimentar problemas de salud que pueden incluir reacciones alérgicas, erupciones cutáneas, dificultad para respirar, pérdida de conciencia e incluso ceguera. Si la piel o los ojos entran en contacto con la espuma de poliuretano, limpia y enjuaga a fondo para evitar problemas de salud. Además si se quema la espuma de poliuretano emite gases tóxicos que agravan el efecto invernadero que con un grave efecto negativo sobre el medio ambiente.

Resina epoxi

La resina epoxi o poliepóxido es un polímero termoestable que se endurece cuando se mezcla con un agente catalizador o endurecedor. Están constituidas comúnmente por dos componentes que se mezclan previamente antes de ser usados; al mezclarse reaccionan causando la solidificación de la resina. Tras el curado o secado se forman enlaces cruzados lo que hace que su peso molecular sea elevado.

Las propiedades que destacan son  su excelente capacidad  adhesiva, su aislamiento eléctrico, resistencia a la humedad, corrosión y temperaturas elevadas  y su gran resistencia a rotura y poca contracción al secarse.

Las resinas epoxi se usan como aditivo en las pinturas para proteger de la corrosión, el ataque de ácidos y químicos y para mejorar la adherencia de las posteriores capas de pintura. También se usan como adhesivos reactivos bicomponentes que fraguan por reacción química entre una resina epoxi y un endurecedor, al mezclarse los dos componentes. Sirven para unir gran cantidad de materiales en la industria aeronáutica, en la fabricación de coches, bicicletas, esquíes. En la construcción se usan en la fijación  entre hormigones, morteros, juntas, membranas, anclajes, pinturas y reparación estructural.

En sistemas electrónicos las resinas epoxi se comportan como óptimos aislantes eléctricos y se usan en muchos componentes y uniones eléctricas, en los circuitos integrados y los transistores para proteger de cortocircuitos, humedad, polvo, suciedad etc.

Los productos químicos que desprende  la resina epoxi puede tener efectos nocivos par la salud. La exposición prolongada a los productos químicos emitidos es un riesgo para los trabajadores de las fábricas de pintura y para los pintores que usan el producto. Los riesgos y peligros para la salud  se vuelven evidentes durante el secado o cuando la pintura comienza a solidificarse sobre la superficie. Se recomienda una buena ventilación cuando se emplean o el uso de dispositivos de protección como máscaras  protectoras.

Silicio

Es el segundo mineral más abundante en la corteza de la Tierra (27,7 %) tras el oxígeno. Se encuentra en forma de cuarzo en el granito, y es el compuesto principal en piedra arenisca y de la arena de playa. El dióxido de silicio se compone de un átomo de silicio y dos átomos de oxígeno. Es un mineral famoso por su dureza, que es altamente resistente al calor, con un punto de fusión de 1650 ºC, es insoluble en agua, y no conduce la electricidad.

Se usa en la construcción como componente del hormigón y en la producción de cemento.  Se utiliza en aleaciones, en la preparación de las siliconas, en la fabricación de vidrio. Por sus propiedades semiconductoras es destacable su uso en la industria electrónica para la creación de microchips que se pueden implantar en  circuitos electrónicos. Por esto se conoce como Silicon Valley (Valle del Silicio) a la región de California en la que concentran numerosas empresas del sector de la electrónica y la informática.

Sin embargo el dióxido de silicio, en forma de polvo, supone un riesgo cuando se inhala. Pequeñas partículas  pueden alojarse en el esófago y los pulmones, y puede provocar silicosis. Esta enfermedad causa dificultad para respirar, fiebre y tos y hace que la piel se vuelva azul.

Aerogel

El aerogel es un material que tiene la densidad más baja de todos los sólidos conocidos. Consiste en un 99.8%  de aire y un 0.2% de dióxido de silicio. Por su forma y apariencia recibe el nombre de “humo congelado”.

Su gran superficie hacen del aerogel un material altamente aislante. Por estas propiedades  se empezó a usar en la industria aeroespacial. Por su capacidad absorbente pero repelente del agua se emplea en la limpieza de mareas negras o derrames de aceites en mares y ríos.También se usa como espesante  para pinturas y cosméticos.

Hasta hace poco el proceso de producción era costoso y peligroso, pero ya se ha conseguido fabricarlo en grandes cantidades de una forma más segura, con lo que pronto tendremos muchos más productos fabricados con este material (como paragolpes de automoviles, trajes de bomberos…) Hace varios años la montañera británica Anne Parmenter ascendió  Everest usando unas botas que tenían plantillas de aerogel y sacos de dormir rellenos con este material.

Siliceno

Este material está formada por átomos de silicio agrupados en finas láminas de dos dimensiones en forma de celdas hexagonales (de forma muy similar al grafeno).

Al provenir del silicio, la sustancia con las que los chips están hechos, el siliceno  es totalmente  compatible con los materiales presentes en la microelectrónica. Se esperan grandes avances en la electrónica gracias al siliceno porque se podrán construir baterías más eficientes y más duraderas, procesadores más rápidos. Además tiene la ventaja de la flexibilidad con lo que las pantallas y teléfonos del futuro serán flexibles y más finas que el papel. Se acaba de producir el primer microprocesador de plástico del mundo con las ventajas de que se puede enrollar, es flexible y muy barato.  De momento tiene una pega,  es 1.000 veces más lento que un chip de silicio.

El siliceno también puede conseguir progresos en el área de la salud  en sensores médicos (que controlan la frecuencia cardíaca y el flujo sanguíneo), dispositivos de vigilancia de la salud más rápidos y más baratos.

En el ámbito de la energía, el siliceno puede hacer que la capacidad de almacenamiento de energía solar sea más eficiente.

Metaflex

La importancia del metaflex está en su capacidad para modificar el comportamiento de la luz. El metaflex es un meta-material (es decir material artificial)  con propiedades electromagnéticas inusuales que curvan y canalizan la luz, con lo que pueden lograr grandes avances en el campo de la óptica. Podría utilizarse con el fin de obtener 'súper lentes de contacto' que ofrezcan una mejora de la visión.

Este material apareció en los medios de comunicación porque con él se podía lograr el efecto de invisibilidad en objetos no planos. El metaflex consta de unas membranas flexibles de meta-material; la unión de estas membranas podría producir un "tejido inteligente", con el que se podría fabricar una capa o cualquier otra prenda para "hacer invisible" a la persona que la porte. La explicación es no refleja la luz igual que los materiales comunes. Interactúa con los rayos de luz de modo que estos rodean el material sin llegar a reflejarlo. Todo lo que se encuentre cubierto por Metaflex se queda invisible para los humanos, como si de un truco de magia se tratara.

El mayor desafío para el Metaflex es  conseguir piezas de mayor tamaño. La muestra máxima conseguida hasta ahora es de 5x8 milímetros.