Ciencia de los Materiales

Un cuboctaedro de diamante que muestra siete planos cristalinos, imagenados con microscopía electrónica de escaneo

La ciencia de los materiales es un campo interdisciplinario de investigación y descubrimiento de materiales. La ingeniería de materiales es un campo de la ingeniería que se dedica al diseño y la mejora de materiales y a la búsqueda de usos para los materiales en otros campos e industrias.

Los orígenes intelectuales de la ciencia de los materiales se remontan a la Era de la Ilustración, cuando los investigadores comenzaron a utilizar el pensamiento analítico de la química, la física y la ingeniería para comprender las antiguas observaciones fenomenológicas en metalurgia y mineralogía. La ciencia de los materiales todavía incorpora elementos de la física, la química y la ingeniería. Como tal, el campo fue considerado durante mucho tiempo por las instituciones académicas como un subcampo de estos campos relacionados. A partir de la década de 1940, la ciencia de los materiales comenzó a ser reconocida más ampliamente como un campo específico y distinto de la ciencia y la ingeniería, y las principales universidades técnicas de todo el mundo crearon escuelas dedicadas a su estudio.

Los científicos de materiales enfatizan la comprensión de cómo la historia de un material (procesamiento) influye en su estructura y, por lo tanto, en las propiedades y el rendimiento del material. La comprensión de las relaciones procesamiento-estructura-propiedades se denomina paradigma de los materiales. Este paradigma se utiliza para avanzar en la comprensión en una variedad de áreas de investigación, incluida la nanotecnología, los biomateriales y la metalurgia.

La ciencia de los materiales también es una parte importante de la ingeniería forense y el análisis de fallas: investiga materiales, productos, estructuras o componentes que fallan o no funcionan según lo previsto, causando lesiones personales o daños a la propiedad. Tales investigaciones son clave para comprender, por ejemplo, las causas de varios accidentes e incidentes de aviación.

Historia

Un Bronce tardío Espada de edad o hoja de daga

El material de elección de una época determinada suele ser un punto definitorio. Frases como Edad de Piedra, Edad de Bronce, Edad de Hierro y Edad de Acero son ejemplos históricos, aunque arbitrarios. Originalmente derivada de la fabricación de cerámica y su supuesta metalurgia derivada, la ciencia de los materiales es una de las formas más antiguas de ingeniería y ciencia aplicada. La ciencia moderna de los materiales evolucionó directamente de la metalurgia, que a su vez evolucionó del uso del fuego. Un gran avance en la comprensión de los materiales se produjo a finales del siglo XIX, cuando el científico estadounidense Josiah Willard Gibbs demostró que las propiedades termodinámicas relacionadas con la estructura atómica en varias fases están relacionadas con las propiedades físicas de un material. Elementos importantes de la ciencia moderna de los materiales fueron productos 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 vehículos espaciales que permiten la exploración del espacio. La ciencia de los materiales ha impulsado y ha sido impulsada por el desarrollo de tecnologías revolucionarias como cauchos, plásticos, semiconductores y biomateriales.

Antes de la década de 1960 (y en algunos casos décadas después), muchos departamentos de ciencia de materiales eran departamentos de metalurgia o ingeniería de cerámica, lo que reflejaba la Énfasis del siglo XIX y principios del XX en los metales y la cerámica. El crecimiento de la ciencia de los materiales en los Estados Unidos fue catalizado en parte por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada, que financió una serie de laboratorios alojados en universidades a principios de la década de 1960, "para expandir el programa nacional de investigación básica y capacitación en el ciencias de los materiales." En comparación con la ingeniería mecánica, el campo naciente de la ciencia de los materiales se centró en abordar los materiales desde el nivel macro y en el enfoque de que los materiales se diseñan sobre la base del conocimiento del comportamiento a nivel microscópico. Debido al conocimiento ampliado del vínculo entre los procesos atómicos y moleculares, así como de las propiedades generales de los materiales, el diseño de los materiales llegó a basarse en propiedades específicas deseadas. Desde entonces, el campo de la ciencia de los materiales se ha ampliado para incluir todas las clases de materiales, incluidos los cerámicos, los polímeros, los semiconductores, los materiales magnéticos, los biomateriales y los nanomateriales, generalmente clasificados en tres grupos distintos: cerámicos, metales y polímeros. El cambio destacado en la ciencia de los materiales durante las últimas décadas es el uso activo de simulaciones por computadora para encontrar nuevos materiales, predecir propiedades y comprender fenómenos.

Fundamentos

El paradigma de materiales representado en forma de tetraedro

Un material se define como una sustancia (la mayoría de las veces un sólido, pero se pueden incluir otras fases condensadas) que está destinado a ser utilizado para ciertas aplicaciones. Hay una miríada de materiales a nuestro alrededor; se pueden encontrar en cualquier cosa, desde edificios y automóviles hasta naves espaciales. Las principales clases de materiales son metales, semiconductores, cerámicas y polímeros. Los materiales nuevos y avanzados que se están desarrollando incluyen nanomateriales, biomateriales y materiales energéticos, por nombrar algunos.

La base de la ciencia de los materiales es estudiar la interacción entre la estructura de los materiales, los métodos de procesamiento para fabricar ese material y las propiedades resultantes del material. La combinación compleja de estos produce el desempeño de un material en una aplicación específica. Muchas características en muchas escalas de longitud afectan el rendimiento del material, desde los elementos químicos constituyentes, su microestructura y las características macroscópicas del procesamiento. Junto con las leyes de la termodinámica y la cinética de los materiales, los científicos pretenden comprender y mejorar los materiales.

Estructura

La estructura es uno de los componentes más importantes del campo de la ciencia de los materiales. La definición misma del campo sostiene que se ocupa de la investigación de "las relaciones que existen entre las estructuras y propiedades de los materiales". La ciencia de los materiales examina la estructura de los materiales desde la escala atómica hasta la escala macro. La caracterización es la forma en que los científicos de materiales examinan la estructura de un material. Esto implica métodos como la difracción con rayos X, electrones o neutrones, y diversas formas de espectroscopia y análisis químico, como la espectroscopia Raman, la espectroscopia de dispersión de energía, la cromatografía, el análisis térmico, el análisis con microscopio electrónico, etc.

La estructura se estudia en los siguientes niveles.

Estructura atómica

La estructura atómica se ocupa de los átomos de los materiales y de cómo se organizan para dar lugar a moléculas, cristales, etc. Gran parte de las propiedades eléctricas, magnéticas y químicas de los materiales surgen de este nivel de estructura. Las escalas de longitud involucradas están en angstroms (Å). El enlace químico y la disposición atómica (cristalografía) son fundamentales para estudiar las propiedades y el comportamiento de cualquier material.

Vínculos

Para obtener una comprensión completa de la estructura del material y cómo se relaciona con sus propiedades, el científico de materiales debe estudiar cómo se organizan y se unen entre sí los diferentes átomos, iones y moléculas. Esto implica el estudio y uso de la química cuántica o la física cuántica. La física del estado sólido, la química del estado sólido y la química física también están involucradas en el estudio de la unión y la estructura.

Cristalografía

Estructura de cristal de un perovskito con una fórmula química ABX₃

La cristalografía es la ciencia que examina la disposición de los átomos en los sólidos cristalinos. La cristalografía es una herramienta útil para los científicos de materiales. En monocristales, los efectos de la disposición cristalina de los átomos suelen ser fáciles de ver macroscópicamente, porque las formas naturales de los cristales reflejan la estructura atómica. Además, las propiedades físicas a menudo están controladas por defectos cristalinos. La comprensión de las estructuras cristalinas es un requisito previo importante para comprender los defectos cristalográficos. En su mayoría, los materiales no se presentan como un solo cristal, sino en forma policristalina, como un agregado de pequeños cristales o granos con diferentes orientaciones. Debido a esto, el método de difracción de polvo, que utiliza patrones de difracción de muestras policristalinas con una gran cantidad de cristales, juega un papel importante en la determinación estructural. La mayoría de los materiales tienen una estructura cristalina, pero algunos materiales importantes no exhiben una estructura cristalina regular. Los polímeros muestran diversos grados de cristalinidad y muchos son completamente no cristalinos. El vidrio, algunas cerámicas y muchos materiales naturales son amorfos y no poseen ningún orden de largo alcance en sus arreglos atómicos. El estudio de los polímeros combina elementos de la termodinámica química y estadística para brindar descripciones termodinámicas y mecánicas de las propiedades físicas.

Nanoestructura

Nanestructura de Buckminsterfullerene

Los materiales cuyos átomos y moléculas forman constituyentes en la nanoescala (es decir, forman una nanoestructura) se denominan nanomateriales. Los nanomateriales son objeto de una intensa investigación en la comunidad científica de los materiales debido a las propiedades únicas que exhiben.

La nanoestructura se ocupa de objetos y estructuras que se encuentran en el rango de 1 a 100 nm. En muchos materiales, los átomos o las moléculas se aglomeran para formar objetos a nanoescala. Esto causa muchas propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas y mecánicas interesantes.

Al describir nanoestructuras, es necesario diferenciar entre el número de dimensiones en la nanoescala.

Las superficies nanotexturizadas tienen una dimensión en la nanoescala, es decir, solo el grosor de la superficie de un objeto está entre 0,1 y 100 nm.

Los nanotubos tienen dos dimensiones en la nanoescala, es decir, el diámetro del tubo está entre 0,1 y 100 nm; su longitud podría ser mucho mayor.

Finalmente, las nanopartículas esféricas tienen tres dimensiones en la nanoescala, es decir, la partícula tiene entre 0,1 y 100 nm en cada dimensión espacial. Los términos nanopartículas y partículas ultrafinas (UFP) a menudo se usan como sinónimos, aunque las UFP pueden alcanzar el rango de micrómetros. El término 'nanoestructura' se utiliza a menudo, cuando se refiere a la tecnología magnética. La estructura a nanoescala en biología a menudo se llama ultraestructura.

Microestructura

Microestructura de Pearlite

La microestructura se define como la estructura de una superficie preparada o una lámina delgada de material revelada por un microscopio de más de 25 aumentos. Se ocupa de objetos desde 100 nm hasta unos pocos cm. La microestructura de un material (que puede clasificarse ampliamente en metálica, polimérica, cerámica y compuesta) puede influir fuertemente en propiedades físicas como resistencia, tenacidad, ductilidad, dureza, resistencia a la corrosión, comportamiento a altas/bajas temperaturas, resistencia al desgaste, etc.. La mayoría de los materiales tradicionales (como los metales y la cerámica) están microestructurados.

La fabricación de un cristal perfecto de un material es físicamente imposible. Por ejemplo, cualquier material cristalino contendrá defectos tales como precipitados, límites de grano (relación de Hall-Petch), vacantes, átomos intersticiales o átomos de sustitución. La microestructura de los materiales revela estos defectos más grandes y los avances en la simulación han permitido una mayor comprensión de cómo se pueden utilizar los defectos para mejorar las propiedades de los materiales.

Macroestructura

La macroestructura es la apariencia de un material en la escala de milímetros a metros, es la estructura del material como se ve a simple vista.

Propiedades

Los materiales exhiben innumerables propiedades, incluidas las siguientes.

• Propiedades mecánicas, ver fuerza de materiales
• Propiedades químicas, ver química
• Propiedades eléctricas, ver Electricidad
• Propiedades térmicas, ver termodinámicas
• Propiedades ópticas, ver Optics y Photonics
• Propiedades magnéticas, ver el magnetismo

Las propiedades de un material determinan su usabilidad y, por lo tanto, su aplicación de ingeniería.

Procesamiento

La síntesis y el procesamiento implican la creación de un material con la micronanoestructura deseada. Desde el punto de vista de la ingeniería, un material no puede utilizarse en la industria si no se ha desarrollado un método de producción económico. Por lo tanto, el procesamiento de materiales es vital para el campo de la ciencia de los materiales. Diferentes materiales requieren diferentes métodos de procesamiento o síntesis. Por ejemplo, el procesamiento de metales históricamente ha sido muy importante y se estudia en la rama de la ciencia de los materiales denominada metalurgia física. Además, los métodos químicos y físicos también se utilizan para sintetizar otros materiales como polímeros, cerámicas, películas delgadas, etc. Desde principios del siglo XXI, se están desarrollando nuevos métodos para sintetizar nanomateriales como el grafeno.

Termodinámica

Un diagrama de fase para un sistema binario que muestra un punto etico

La termodinámica se ocupa del calor y la temperatura y su relación con la energía y el trabajo. Define variables macroscópicas, como la energía interna, la entropía y la presión, que describen en parte un cuerpo de materia o radiación. Establece que el comportamiento de esas variables está sujeto a restricciones generales comunes a todos los materiales. Estas restricciones generales se expresan en las cuatro leyes de la termodinámica. La termodinámica describe el comportamiento general del cuerpo, no los comportamientos microscópicos de un gran número de sus constituyentes microscópicos, como las moléculas. El comportamiento de estas partículas microscópicas se describe y las leyes de la termodinámica se derivan de la mecánica estadística.

El estudio de la termodinámica es fundamental para la ciencia de los materiales. Forma la base para tratar los fenómenos generales en la ciencia e ingeniería de materiales, incluidas las reacciones químicas, el magnetismo, la polarizabilidad y la elasticidad. También ayuda en la comprensión de los diagramas de fase y el equilibrio de fase.

Cinética

La cinética química es el estudio de las tasas a las que los sistemas que están fuera de equilibrio cambian bajo la influencia de varias fuerzas. Cuando se aplica a la ciencia de los materiales, trata de cómo un material cambia con el tiempo (pasa de un estado de no equilibrio a un estado de equilibrio) debido a la aplicación de un determinado campo. Detalla la velocidad de varios procesos que evolucionan en los materiales, incluida la forma, el tamaño, la composición y la estructura. La difusión es importante en el estudio de la cinética ya que es el mecanismo más común por el cual los materiales experimentan cambios. La cinética es esencial en el procesamiento de materiales porque, entre otras cosas, detalla cómo cambia la microestructura con la aplicación de calor.

Investigación

La ciencia de los materiales es un área de investigación muy activa. Junto con los departamentos de ciencia de materiales, física, química y muchos departamentos de ingeniería están involucrados en la investigación de materiales. La investigación de materiales cubre una amplia gama de temas; la siguiente lista no exhaustiva destaca algunas áreas de investigación importantes.

Nanomateriales

Una imagen de microscopía electrónica escaneada de nanotubos de carbono

Los nanomateriales describen, en principio, materiales de los cuales una sola unidad tiene un tamaño (en al menos una dimensión) entre 1 y 1000 nanómetros (10⁻⁹ metros), pero generalmente es de 1 nm - 100 Nuevo Méjico. La investigación de nanomateriales adopta un enfoque basado en la ciencia de los materiales para la nanotecnología, utilizando avances en metrología y síntesis de materiales, que se han desarrollado en apoyo de la investigación de microfabricación. Los materiales con estructura a nanoescala a menudo tienen propiedades ópticas, electrónicas o mecánicas únicas. El campo de los nanomateriales está vagamente organizado, como el campo tradicional de la química, en nanomateriales orgánicos (basados en carbono), como los fullerenos, y nanomateriales inorgánicos basados en otros elementos, como el silicio. Los ejemplos de nanomateriales incluyen fullerenos, nanotubos de carbono, nanocristales, etc.

Biomateriales

El nacre iridiscente dentro de una cáscara de nautilus

Un biomaterial es cualquier materia, superficie o construcción que interactúa con los sistemas biológicos. El estudio de los biomateriales se denomina ciencia de los biomateriales. Ha experimentado un crecimiento constante y fuerte a lo largo de su historia, con muchas empresas invirtiendo grandes cantidades de dinero en el desarrollo de nuevos productos. La ciencia de los biomateriales abarca elementos de la medicina, la biología, la química, la ingeniería de tejidos y la ciencia de los materiales.

Los biomateriales pueden derivarse de la naturaleza o sintetizarse en un laboratorio utilizando una variedad de enfoques químicos que utilizan componentes metálicos, polímeros, biocerámicas o materiales compuestos. A menudo están destinados o adaptados para aplicaciones médicas, como dispositivos biomédicos que realizan, aumentan o reemplazan una función natural. Dichas funciones pueden ser benignas, como usarse para una válvula cardíaca, o pueden ser bioactivas con una funcionalidad más interactiva, como los implantes de cadera recubiertos de hidroxiapatita. Los biomateriales también se utilizan todos los días en aplicaciones dentales, cirugía y administración de fármacos. Por ejemplo, se puede colocar en el cuerpo una construcción con productos farmacéuticos impregnados, lo que permite la liberación prolongada de un fármaco durante un período prolongado de tiempo. Un biomaterial también puede ser un autoinjerto, aloinjerto o xenoinjerto utilizado como material de trasplante de órganos.

Electrónica, óptica y magnética

Índice negativo metamaterial

Los semiconductores, los metales y las cerámicas se utilizan hoy en día para formar sistemas muy complejos, como circuitos electrónicos integrados, dispositivos optoelectrónicos y medios de almacenamiento masivo magnéticos y ópticos. Estos materiales forman la base de nuestro mundo informático moderno y, por lo tanto, la investigación de estos materiales es de vital importancia.

Los semiconductores son un ejemplo tradicional de este tipo de materiales. Son materiales que tienen propiedades intermedias entre conductores y aislantes. Sus conductividades eléctricas son muy sensibles a la concentración de impurezas, lo que permite el uso de dopaje para lograr propiedades electrónicas deseables. Por lo tanto, los semiconductores forman la base de la computadora tradicional.

Este campo también incluye nuevas áreas de investigación como materiales superconductores, espintrónica, metamateriales, etc. El estudio de estos materiales implica el conocimiento de la ciencia de los materiales y la física del estado sólido o física de la materia condensada.

Ciencia computacional de materiales

Con los continuos aumentos en el poder de cómputo, se ha vuelto posible simular el comportamiento de los materiales. Esto permite a los científicos de materiales comprender el comportamiento y los mecanismos, diseñar nuevos materiales y explicar propiedades que antes no se entendían bien. Los esfuerzos en torno a la ingeniería computacional integrada de materiales ahora se centran en combinar métodos computacionales con experimentos para reducir drásticamente el tiempo y el esfuerzo para optimizar las propiedades de los materiales para una aplicación determinada. Esto implica simular materiales en todas las escalas de longitud, utilizando métodos como la teoría funcional de la densidad, la dinámica molecular, Monte Carlo, la dinámica de dislocaciones, el campo de fase, los elementos finitos y muchos más.

Industria

Contenedores de bebidas de los tres tipos de materiales: cerámica (vidrio), metal (aluminio) y polímero (plástico).

Los avances radicales en materiales pueden impulsar la creación de nuevos productos o incluso nuevas industrias, pero las industrias estables también emplean a científicos de materiales para realizar mejoras incrementales y solucionar problemas con los materiales que se utilizan actualmente. Las aplicaciones industriales de la ciencia de los materiales incluyen el diseño de materiales, las compensaciones de costo-beneficio en la producción industrial de materiales, los métodos de procesamiento (fundición, laminado, soldadura, implantación de iones, crecimiento de cristales, deposición de película delgada, sinterización, soplado de vidrio, etc.) y métodos analíticos. (métodos de caracterización como microscopía electrónica, difracción de rayos X, calorimetría, microscopía nuclear (HEFIB), retrodispersión de Rutherford, difracción de neutrones, dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS), etc.).

Además de la caracterización de materiales, el científico o ingeniero de materiales también se ocupa de extraer materiales y convertirlos en formas útiles. Por lo tanto, la fundición de lingotes, los métodos de fundición, la extracción en altos hornos y la extracción electrolítica son parte del conocimiento requerido de un ingeniero de materiales. A menudo, la presencia, ausencia o variación de cantidades mínimas de elementos y compuestos secundarios en un material a granel afectará en gran medida las propiedades finales de los materiales producidos. Por ejemplo, los aceros se clasifican en base a porcentajes en peso de 1/10 y 1/100 del carbono y otros elementos de aleación que contienen. Por lo tanto, los métodos de extracción y purificación utilizados para extraer hierro en un alto horno pueden afectar la calidad del acero que se produce.

Los materiales sólidos generalmente se agrupan en tres clasificaciones básicas: cerámica, metales y polímeros. Esta amplia clasificación se basa en la composición empírica y la estructura atómica de los materiales sólidos, y la mayoría de los sólidos se incluyen en una de estas amplias categorías. Un artículo que a menudo se fabrica con cada uno de estos tipos de materiales es el recipiente para bebidas. Los tipos de materiales utilizados para los envases de bebidas presentan, en consecuencia, diferentes ventajas y desventajas, según el material utilizado. Los recipientes de cerámica (vidrio) son ópticamente transparentes, impermeables al paso del dióxido de carbono, relativamente económicos y fáciles de reciclar, pero también son pesados y se fracturan con facilidad. El metal (aleación de aluminio) es relativamente fuerte, es una buena barrera para la difusión del dióxido de carbono y se recicla fácilmente. Sin embargo, las latas son opacas, caras de producir y se abollan y perforan fácilmente. Los polímeros (plástico de polietileno) son relativamente fuertes, pueden ser ópticamente transparentes, económicos y livianos, y pueden reciclarse, pero no son tan impermeables al paso del dióxido de carbono como el aluminio y el vidrio.

Cerámicas y vidrios

Si₃N₄ piezas de cerámica

Otra aplicación de la ciencia de los materiales es el estudio de la cerámica y los vidrios, por lo general los materiales más frágiles con relevancia industrial. Muchas cerámicas y vidrios exhiben enlaces covalentes o iónico-covalentes con SiO₂ (sílice) como bloque de construcción fundamental. La cerámica, que no debe confundirse con la arcilla cruda sin cocer, generalmente se ve en forma cristalina. La gran mayoría de los vidrios comerciales contienen un óxido de metal fundido con sílice. A las altas temperaturas utilizadas para preparar el vidrio, el material es un líquido viscoso que se solidifica en un estado desordenado al enfriarse. Los cristales de las ventanas y los anteojos son ejemplos importantes. Las fibras de vidrio también se utilizan para telecomunicaciones de largo alcance y transmisión óptica. El Corning Gorilla Glass resistente a los arañazos es un ejemplo bien conocido de la aplicación de la ciencia de los materiales para mejorar drásticamente las propiedades de los componentes comunes.

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

Compuestos

Un filamento de carbono de 6 μm de diámetro (que va desde abajo de izquierda a derecha superior) siting en la parte superior del cabello humano

Otra aplicación de la ciencia de los materiales en la industria es la fabricación de materiales compuestos. Son materiales estructurados compuestos por dos o más fases macroscópicas.

Las aplicaciones van desde elementos estructurales como el hormigón reforzado con acero hasta losetas aislantes térmicas, que desempeñan un papel clave e integral en el sistema de protección térmica del transbordador espacial de la NASA, que se utiliza para proteger la superficie del transbordador. del calor del reingreso a la atmósfera terrestre. Un ejemplo es el carbono-carbono reforzado (RCC), el material gris claro, que resiste temperaturas de reingreso de hasta 1510 °C (2750 °F) y protege los bordes de ataque de las alas y la tapa del morro del transbordador espacial. RCC es un material compuesto laminado hecho de tela de rayón de grafito e impregnado con una resina fenólica. Después de curar a alta temperatura en un autoclave, el laminado se piroliza para convertir la resina en carbono, se impregna con alcohol furfural en una cámara de vacío y se cura-piroliza para convertir el alcohol furfural en carbono. Para proporcionar resistencia a la oxidación para la capacidad de reutilización, las capas exteriores del RCC se convierten en carburo de silicio.

Otros ejemplos se pueden ver en el "plástico" carcasas de televisores, teléfonos móviles, etc. Estas cubiertas de plástico suelen ser un material compuesto hecho de una matriz termoplástica como el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) en el que se ha agregado tiza de carbonato de calcio, talco, fibras de vidrio o fibras de carbono para mayor resistencia, volumen o dispersión electrostática. Estas adiciones pueden denominarse fibras de refuerzo o dispersantes, dependiendo de su propósito.

Polímeros

La unidad de repetición del polipropileno polímero

Embalaje de polímero expandido de poliestireno

Los polímeros son compuestos químicos formados por una gran cantidad de componentes idénticos unidos entre sí como cadenas. Son una parte importante de la ciencia de los materiales. Los polímeros son las materias primas (las resinas) que se utilizan para fabricar lo que comúnmente se denominan plásticos y caucho. Los plásticos y el caucho son realmente el producto final, creado después de que uno o más polímeros o aditivos se hayan agregado a una resina durante el procesamiento, que luego se moldea en una forma final. Los plásticos que han existido y que actualmente tienen un uso generalizado incluyen polietileno, polipropileno, cloruro de polivinilo (PVC), poliestireno, nailon, poliésteres, acrílicos, poliuretanos y policarbonatos y también cauchos, que han existido son caucho natural, estireno -caucho de butadieno, cloropreno y caucho de butadieno. Los plásticos generalmente se clasifican como productos básicos, especializados y plásticos de ingeniería.

El cloruro de polivinilo (PVC) se usa ampliamente, es económico y las cantidades de producción anual son grandes. Se presta a una amplia gama de aplicaciones, desde cuero artificial hasta aislamiento eléctrico y cableado, embalaje y contenedores. Su fabricación y procesamiento son simples y bien establecidos. La versatilidad del PVC se debe a la amplia gama de plastificantes y otros aditivos que acepta. El término "aditivos" en la ciencia de los polímeros se refiere a los productos químicos y compuestos que se agregan a la base del polímero para modificar sus propiedades materiales.

El policarbonato normalmente se consideraría un plástico de ingeniería (otros ejemplos incluyen PEEK, ABS). Dichos plásticos son valorados por sus resistencias superiores y otras propiedades materiales especiales. Por lo general, no se utilizan para aplicaciones desechables, a diferencia de los plásticos básicos.

Los plásticos especiales son materiales con características únicas, como resistencia ultraalta, conductividad eléctrica, electrofluorescencia, alta estabilidad térmica, etc.

La línea divisoria entre los distintos tipos de plásticos no se basa en el material sino en sus propiedades y aplicaciones. Por ejemplo, el polietileno (PE) es un polímero económico de baja fricción que se usa comúnmente para hacer bolsas desechables para compras y basura, y se considera un plástico básico, mientras que el polietileno de densidad media (MDPE) se usa para tuberías subterráneas de gas y agua, y otra variedad llamada polietileno de peso molecular ultra alto (UHMWPE) es un plástico de ingeniería que se usa ampliamente como rieles de deslizamiento para equipos industriales y el encaje de baja fricción en las articulaciones de cadera implantadas.

Aleaciones metálicas

cuerda de alambre de aleación de acero

El estudio de las aleaciones metálicas es una parte importante de la ciencia de los materiales. De todas las aleaciones metálicas en uso hoy en día, las aleaciones de hierro (acero, acero inoxidable, hierro fundido, acero para herramientas, aceros aleados) constituyen la mayor proporción tanto en cantidad como en valor comercial.

El hierro aleado con varias proporciones de carbono da aceros de bajo, medio y alto carbono. Una aleación de hierro y carbono solo se considera acero si el nivel de carbono está entre 0,01 % y 2,00 %. Para los aceros, la dureza y la resistencia a la tracción del acero están relacionadas con la cantidad de carbono presente, y el aumento de los niveles de carbono también conduce a una menor ductilidad y tenacidad. Sin embargo, los procesos de tratamiento térmico, como el templado y el revenido, pueden cambiar 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 cromo de aleación superior al 10 % en peso. El níquel y el molibdeno también se encuentran típicamente 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 del Bronce), mientras que las aleaciones de los otros tres metales se han desarrollado relativamente recientemente. 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 alta relación resistencia/peso y, en el caso del magnesio, su capacidad para proporcionar protección electromagnética. Estos materiales son ideales para situaciones en las que una alta relación resistencia/peso es más importante que el costo a granel, como en la industria aeroespacial y ciertas aplicaciones de ingeniería automotriz.

Semiconductores

El estudio de los semiconductores es una parte importante de la ciencia de los materiales. Un semiconductor es un material que tiene una resistividad entre un metal y un aislante. Sus propiedades electrónicas pueden alterarse en gran medida mediante la introducción intencional de impurezas o dopaje. A partir de estos materiales semiconductores, se pueden construir elementos como diodos, transistores, diodos emisores de luz (LED) y circuitos eléctricos analógicos y digitales, lo que los convierte en materiales de interés para la industria. Los dispositivos semiconductores han reemplazado a los dispositivos termoiónicos (tubos de vacío) en la mayoría de las aplicaciones. Los dispositivos semiconductores se fabrican como dispositivos discretos únicos y como circuitos integrados (IC), que consisten en una cantidad, desde unos pocos hasta millones, de dispositivos fabricados e interconectados en un solo sustrato semiconductor.

De todos los semiconductores que se usan hoy en día, el silicio constituye la porción más grande tanto por cantidad como por valor comercial. El silicio monocristalino se utiliza para producir obleas utilizadas en la industria electrónica y de semiconductores. Después del silicio, el arseniuro de galio (GaAs) es el segundo semiconductor más utilizado. Debido a su mayor movilidad de electrones y velocidad de saturación en comparación con el silicio, es un material de elección para aplicaciones electrónicas de alta velocidad. Estas propiedades superiores son razones convincentes para utilizar circuitos de GaAs en teléfonos móviles, comunicaciones por satélite, enlaces punto a punto de microondas y sistemas de radar de mayor frecuencia. Otros materiales semiconductores incluyen germanio, carburo de silicio y nitruro de galio y tienen diversas aplicaciones.

Relación con otros campos

Google Ngram Viewer-diagram visualizando los términos de búsqueda para la terminología compleja de la materia (1940-2018). Verde: “ciencia material”, rojo: “física de materia condensada” y azul: “física de estado sólido”.

La ciencia de los materiales evolucionó a partir de la década de 1950 porque se reconoció que para crear, descubrir y diseñar nuevos materiales, había que abordarla de manera unificada. Así, la ciencia y la ingeniería de materiales surgieron de muchas maneras: renombrando y/o combinando los departamentos de ingeniería metalúrgicos y cerámicos existentes; separarse de la investigación de física del estado sólido existente (que a su vez se convierte en física de la materia condensada); incorporar ingeniería de polímeros y ciencia de polímeros relativamente nueva; recombinando de lo anterior, así como la química, la ingeniería química, la ingeniería mecánica y la ingeniería eléctrica; y más.

El campo de la ciencia e ingeniería de materiales es importante tanto desde una perspectiva científica como para el campo de las aplicaciones. Los materiales son de suma importancia para los ingenieros (u otros campos aplicados) porque el uso de los materiales apropiados es crucial al diseñar sistemas. Como resultado, la ciencia de los materiales es una parte cada vez más importante de la educación de un ingeniero.

La física de materiales es el uso de la física para describir las propiedades físicas de los materiales. Es una síntesis de las ciencias físicas como la química, la mecánica de sólidos, la física del estado sólido y la ciencia de los materiales. La física de materiales se considera un subconjunto de la física de la materia condensada y aplica conceptos fundamentales de la materia condensada a medios multifásicos complejos, incluidos materiales de interés tecnológico. Los campos actuales en los que trabajan los físicos de materiales incluyen materiales electrónicos, ópticos y magnéticos, materiales y estructuras novedosos, fenómenos cuánticos en materiales, física de desequilibrio y física de materia blanda condensada. Las nuevas herramientas experimentales y computacionales mejoran constantemente la forma en que se modelan y estudian los sistemas de materiales y también son campos en los que trabajan los físicos de materiales.

El campo es intrínsecamente interdisciplinario, y los científicos o ingenieros de materiales deben conocer y utilizar los métodos del físico, el químico y el ingeniero. Por el contrario, campos como las ciencias de la vida y la arqueología pueden inspirar el desarrollo de nuevos materiales y procesos, en enfoques bioinspirados y paleoinspirados. Por lo tanto, se mantienen estrechas relaciones con estos campos. Por el contrario, muchos físicos, químicos e ingenieros se encuentran trabajando en la ciencia de los materiales debido a las importantes superposiciones entre los campos.

Tecnologías emergentes

Subdisciplinas

Las principales ramas de la ciencia de los materiales se derivan de las cuatro clases principales de materiales: cerámica, metales, polímeros y compuestos.

• Ingeniería de cerámica
• Metallurgy
• Ciencias y ingeniería polímeros
• Ingeniería compuesta

También existen esfuerzos ampliamente aplicables e independientes de los materiales.

• Caracterización de materiales (spectroscopia, microscopia, diffracción)
• Ciencias de los materiales computacionales
• Material informativo y selección

También hay enfoques relativamente amplios en los materiales sobre fenómenos y técnicas específicos.

• Cristalografía
• Ciencias de la superficie
• Tribología
• Microelectrónica

Campos relacionados o interdisciplinarios

• Física de materia condensada, física de estado sólido y química de estado sólido
• Nanotecnología
• Mineralogy
• Química supramolecular
• Biomaterials science

Sociedades profesionales

• American Ceramic Society
• ASM International
• Association for Iron and Steel Technology
• Materials Research Society
• Los minerales, los metales y los materiales Society