Historia de los materiales

La ciencia de los materiales ha dado forma al desarrollo de las civilizaciones desde los albores de la humanidad. Mejores materiales para herramientas y armas han permitido a la humanidad expandirse y conquistar, y los avances en el procesamiento de materiales como la producción de acero y aluminio continúan impactando a la sociedad actual. Los historiadores han considerado los materiales como un aspecto tan importante de las civilizaciones que períodos enteros de tiempo se han definido por el material predominante utilizado (Edad de Piedra, Edad de Bronce, Edad de Hierro). Durante la mayor parte de la historia registrada, el control de los materiales se había realizado a través de la alquimia o, en el mejor de los casos, por medios empíricos. El estudio y el desarrollo de la química y la física ayudaron al estudio de los materiales y, finalmente, el estudio interdisciplinario de la ciencia de los materiales surgió de la fusión de estos estudios. La historia de la ciencia de los materiales.es el estudio de cómo se usaron y desarrollaron diferentes materiales a lo largo de la historia de la Tierra y cómo esos materiales afectaron la cultura de los pueblos de la Tierra. El término "Era del silicio" se usa a veces para referirse al período moderno de la historia entre finales del siglo XX y principios del XXI.

Prehistoria

En muchos casos, diferentes culturas dejan sus materiales como únicos registros; que los antropólogos pueden usar para definir la existencia de tales culturas. El uso progresivo de materiales más sofisticados permite a los arqueólogos caracterizar y distinguir entre pueblos. Esto se debe en parte al principal material de uso en una cultura ya sus beneficios e inconvenientes asociados. Las culturas de la Edad de Piedra estaban limitadas por las rocas que podían encontrar localmente y por las que podían adquirir mediante el comercio. El uso del pedernal alrededor del año 300.000 a. C. a veces se considera el comienzo del uso de la cerámica. El uso de hachas de piedra pulida marca un avance significativo, porque una variedad mucho más amplia de rocas podrían servir como herramientas.

La innovación de la fundición y fundición de metales en la Edad del Bronce comenzó a cambiar la forma en que las culturas se desarrollaban e interactuaban entre sí. Alrededor del año 5500 a. C., los primeros herreros comenzaron a remodelar metales nativos de cobre y oro, sin usar fuego y usando herramientas y armas. El calentamiento del cobre y su conformación con martillos comenzó alrededor del año 5000 a. La fusión y el vaciado comenzaron alrededor del año 4000 a. La metalurgia tuvo su comienzo con la reducción del cobre de su mineral alrededor del año 3500 a. La primera aleación, el bronce, entró en uso alrededor del año 3000 a.

Edad de Piedra

El uso de materiales comenzó en la Edad de Piedra. Por lo general, los materiales como huesos, fibras, plumas, conchas, pieles de animales y arcilla se usaban para armas, herramientas, joyas y refugios. Las primeras herramientas se encuentran en la era paleolítica, llamadas olduvayenses. Estas eran herramientas creadas a partir de rocas astilladas que se utilizarían con fines de recolección.A medida que la historia avanzaba hasta la era mesolítica, las herramientas se volvieron más complejas y simétricas en diseño con bordes más afilados. Pasando a la era neolítica, la agricultura comenzó a desarrollarse a medida que se descubrieron nuevas formas de herramientas para la agricultura. Cerca del final de la Edad de Piedra, los humanos comenzaron a usar cobre, oro y plata como material. Debido a la suavidad de estos metales, el uso general era con fines ceremoniales y para crear ornamentos o decoraciones y no reemplazó a otros materiales para su uso en herramientas. La sencillez de las herramientas utilizadas se reflejaba en la sencilla comprensión de la especie humana de la época.

Edad de Bronce

El uso del cobre se había vuelto muy evidente para las civilizaciones, como sus propiedades de elasticidad y plasticidad que permiten martillarlo en formas útiles, junto con su capacidad para fundirse y verterse en formas complejas. Aunque las ventajas del cobre eran muchas, el material era demasiado blando para encontrar una utilidad a gran escala. A través de la experimentación o por casualidad, las adiciones al cobre conducen a una mayor dureza de una nueva aleación de metal, llamada bronce. El bronce estaba originalmente compuesto de cobre y arsénico, formando bronce arsénico.

Edad de Hierro

El trabajo del hierro cobró importancia alrededor del año 1200 a. En el siglo X a. C., comenzó la producción de vidrio en el antiguo Cercano Oriente. En el siglo III a. C., la gente de la antigua India desarrolló acero wootz, el primer acero de crisol. En el siglo I a. C., las técnicas de soplado de vidrio florecieron en Fenicia. En el siglo II, la fabricación de acero CE se generalizó en la dinastía Han de China. El siglo IV EC vio la producción del pilar de hierro de Delhi, el ejemplo sobreviviente más antiguo de acero resistente a la corrosión.

Antigüedad

Madera, hueso, piedra y tierra son algunos de los materiales que formaron las estructuras del Imperio Romano. Ciertas estructuras fueron posibles gracias al carácter del terreno sobre el que se construyen estas estructuras. Los romanos mezclaron piedra caliza en polvo, ceniza volcánica encontrada en el Monte Vesubio y agua para hacer una pasta de cemento.Una península volcánica con agregados de piedra y conglomerados que contienen material cristalino producirá material que se desgasta de manera diferente a la roca sedimentaria blanda y al limo. Con el descubrimiento de la pasta de cemento, se podían construir estructuras con piedras de forma irregular y hacer que el aglomerante llenara los huecos para crear una estructura sólida. El cemento gana fuerza a medida que se hidrata, creando así una unión más fuerte con el tiempo. Con la caída del Imperio Romano Occidental y el surgimiento de los bizantinos, este conocimiento se perdió en su mayoría, excepto para los monjes católicos, que estaban entre los pocos que podían leer el latín de Vitruvio y hacer uso de la pasta de cemento. Esa es una de las razones por las que el Panteón de hormigón de Roma pudo durar 1.850 años, y por las que las granjas con techo de paja de Holanda esbozadas por Rembrandt se han deteriorado hace mucho tiempo.

El uso del asbesto como material floreció en la antigua Grecia, especialmente cuando salieron a la luz las cualidades ignífugas del material. Muchos estudiosos creen que la palabra asbesto proviene de un término griego, sasbestos, que significa inextinguible o inextinguible. La ropa para los nobles, los manteles y otros adornos para el horno estaban todos equipados con un tejido de materiales fibrosos, ya que los materiales podían limpiarse arrojándolos directamente al fuego. Sin embargo, el uso de este material no estuvo exento de inconvenientes, Plinio el Viejo, notó un vínculo entre la muerte rápida de los esclavos para trabajar en la mina de asbesto. Recomendó que los esclavos que trabajaban en este entorno usaran la piel de un blabber como un respirador improvisado.

Después de que las dagas de fémur de los primeros cazadores-recolectores fueran reemplazadas por hachas de madera y piedra, y luego por implementos de cobre, bronce y hierro de la civilización romana, se pudieron buscar y reunir más materiales preciosos. Así, el orfebre medieval Benvenuto Cellini pudo buscar y defender el oro que debía convertir en objeto de deseo de duques y papas. La Autobiografía de Benvenuto Cellini contiene una de las primeras descripciones de un proceso metalúrgico.

El uso del corcho, que se ha agregado recientemente a la categoría de ciencia de los materiales, tuvo sus primeras menciones a partir de Horacio, Plinio y Plutarco. Tenía muchos usos en la antigüedad, incluso en dispositivos de pesca y seguridad debido a su flotabilidad, un medio de grabado, suelas de sandalias para aumentar la estatura, tapones de contenedores y como aislante. También se utilizó para ayudar a curar la calvicie en el siglo II.

En la Era de la Antigua Roma, el soplado de vidrio se convirtió en un arte que involucraba la adición de decoración y tintes. También pudieron crear formas complejas gracias al uso de un molde. Esta tecnología permitió imitar piedras preciosas. El vidrio de la ventana se formó colando en moldes planos de arcilla, luego se retiró y limpió. La textura de las vidrieras proviene de la textura que dejó el molde de arena en el lado en contacto con el molde.

Los compuestos poliméricos también aparecieron durante este período de tiempo en forma de madera. Hacia el 80 a. C., la resina petrificada y la queratina se usaban en accesorios como el ámbar y el caparazón de tortuga, respectivamente.

En Alejandría, en el siglo I a. C., el soplado de vidrio se desarrolló en parte debido a los nuevos hornos que podían crear temperaturas más altas mediante el uso de un tubo de caña recubierto de arcilla. En las piezas sopladas se utilizaron cenizas vegetales y vidrio natrón, siendo este último el componente principal. Las plantas costeras y semidesérticas funcionaron mejor debido a su bajo contenido de óxido de magnesio y óxido de potasio. El Levante, el norte de África e Italia eran los lugares donde las vasijas de vidrio soplado eran más comunes.

Edad media

Se ha descubierto material de protoporcelana que se remonta al período Neolítico, con fragmentos de material encontrados en sitios arqueológicos del período Han del Este en China. Se estima que estos artículos fueron cocidos entre 1260°C y 1300°C. En el siglo VIII, se inventó la porcelana en la dinastía Tang, China. La porcelana en porcelana resultó en un desarrollo metódico de hornos ampliamente utilizados que aumentaron la calidad y la cantidad de porcelana que se podía producir. El vidriado de cerámica con estaño es inventado por químicos y alfareros árabes en Basora, Irak.

Durante la Alta Edad Media, la técnica de creación de ventanas se inclinó más hacia el soplado de bolas de vidrio sin teñir que luego se aplanaron, pero ya en la Baja Edad Media; la metodología volvió a la de la antigüedad con algunos ajustes menores, que incluyeron el laminado con rodillos metálicos.

En el siglo IX, la cerámica de pasta de piedra se inventó en Irak y apareció el lustreware en Mesopotamia. En el siglo XI, el acero de Damasco se desarrolla en el Medio Oriente. En el siglo XV, Johann Gutenberg desarrolla una aleación de metales tipográficos y Angelo Barovier inventa el cristallo, un vidrio transparente a base de soda.

Período moderno temprano

En 1540, Vannoccio Biringuccio publica su De la pirotechnia, el primer libro sistemático sobre metalurgia, en 1556 Georg Agricola escribe De Re Metallica, un libro influyente sobre metalurgia y minería, y las lentes de vidrio se desarrollan en los Países Bajos y se utilizan por primera vez en microscopios y telescopios.

En el siglo XVII, las Dos Nuevas Ciencias de Galileo (resistencia de los materiales y cinemática) incluye las primeras afirmaciones cuantitativas en la ciencia de los materiales.

En el siglo XVIII, William Champion patenta un proceso para la producción de zinc metálico por destilación de calamina y carbón vegetal, Bryan Higgins obtuvo una patente para cemento hidráulico (estuco) para uso como yeso exterior, y Alessandro Volta fabrica cobre o zinc. batería de ácido

En el siglo XIX, Thomas Johann Seebeck inventa el termopar, Joseph Aspin inventa el cemento Portland, Charles Goodyear inventa el caucho vulcanizado, Louis Daguerre y William Fox Talbot inventan los procesos fotográficos a base de plata, James Clerk Maxwell demuestra la fotografía en color y Charles Fritts hace la primera celdas solares usando gofres de selenio.

Antes de principios del siglo XIX, el aluminio no se producía como metal aislado. No fue hasta 1825 que; Hans Christian Ørsted descubrió cómo crear aluminio elemental mediante la reducción de cloruro de aluminio. Dado que el aluminio es un elemento liviano con buenas propiedades mecánicas, se buscó ampliamente para reemplazar metales más pesados ​​​​y menos funcionales como la plata y el oro. Napoleón III usó platos y utensilios de aluminio para sus invitados de honor, mientras que al resto se les dio plata. Sin embargo, este proceso todavía era costoso y aún no podía producir el metal en grandes cantidades.

En 1886, el estadounidense Charles Martin Hall y el francés Paul Héroult inventaron un proceso completamente independiente entre sí para producir aluminio a partir de óxido de aluminio mediante electrólisis. Este proceso permitiría que el aluminio se fabricara más barato que nunca y sentó las bases para convertir el elemento de un metal precioso en un producto fácilmente obtenible. Casi al mismo tiempo, en 1888, Carl Josef Bayer estaba trabajando en San Petersburgo, Rusia, para desarrollar un método para producir alúmina pura para la industria textil. Este proceso implicó disolver el óxido de aluminio del mineral de bauxita para producir gibbsita, que luego se puede purificar nuevamente en alúmina cruda. El proceso Bayer y el proceso Hall-Héroult todavía se utilizan hoy en día para producir la mayoría de la alúmina y el aluminio del mundo.

La ciencia de los materiales como campo de estudio.

La mayoría de los campos de estudio tienen un padre fundador, como Newton en física y Lavoisier en química. La ciencia de los materiales, por otro lado, no tiene una figura central que ponga en marcha los estudios de materiales. En la década de 1940, las colaboraciones durante la guerra de múltiples campos de estudio para producir avances tecnológicos se convirtieron en una estructura para el futuro campo de estudio que se conocería como ciencia e ingeniería de materiales. Durante la Guerra Fría en la década de 1950, el Comité Asesor Científico del Presidente de los Estados Unidos (PSAC)hizo de los materiales una prioridad, cuando se dio cuenta de que los materiales eran el factor limitante para los avances en la tecnología espacial y militar. El Departamento de Defensa firmó un contrato con cinco universidades (Harvard, MIT, Brown, Stanford y Chicago) proporcionando más de $13 millones para la investigación de materiales. Los departamentos de varias instituciones cambiaron los títulos de "metalurgia" a "metalurgia y ciencia de los materiales" en la década de 1960.

Ciencia moderna de los materiales

A principios del siglo XX, la mayoría de las escuelas de ingeniería tenían un departamento de metalurgia y quizás también de cerámica. Se invirtió mucho esfuerzo en la consideración de las fases austenita - martensita - cementita que se encuentran en el diagrama de fase de hierro - carbono que subyace a la producción de acero. La comprensión fundamental de otros materiales no estaba lo suficientemente avanzada como para considerarlos materias académicas. En la era posterior a la Segunda Guerra Mundial, el estudio sistemático de los polímeros avanzó particularmente rápido. En lugar de crear nuevos departamentos de ciencia de polímeros en las escuelas de ingeniería, los administradores y científicos comenzaron a concebir la ciencia de los materiales como un nuevo campo interdisciplinario por derecho propio, uno que consideraba todas las sustancias de importancia para la ingeniería desde un punto de vista unificado.La Universidad Northwestern instituyó el primer departamento de ciencia de los materiales en 1955.

Richard E. Tressler fue un líder internacional en el desarrollo de materiales de alta temperatura. Fue pionero en las pruebas y el uso de fibra a alta temperatura, instrumentación avanzada y metodologías de prueba para materiales termoestructurales, y diseño y verificación del rendimiento de cerámicas y compuestos en aplicaciones aeroespaciales, industriales y energéticas a alta temperatura. Fue director fundador del Centro de Materiales Avanzados (CAM),que apoyó a muchos profesores y estudiantes de la Facultad de Ciencias Minerales y de la Tierra, la Facultad de Ciencias Eberly, la Facultad de Ingeniería, el Laboratorio de Investigación de Materiales y los Laboratorios de Investigación Aplicada en Penn State sobre materiales de alta temperatura. Su visión de la investigación interdisciplinaria jugó un papel clave en la creación del Instituto de Investigación de Materiales. La contribución de Tressler a la ciencia de los materiales se celebra con una conferencia de Penn State nombrada en su honor.

La Sociedad de Investigación de Materiales (MRS) ha sido fundamental en la creación de una identidad y cohesión para este campo joven. MRS fue una creación de investigadores de la Universidad de Penn State y surgió de discusiones iniciadas por el Prof. Rustum Roy en 1970. La primera reunión de MRS se llevó a cabo en 1973. A partir de 2006, MRS se ha convertido en una sociedad internacional que patrocina una gran cantidad de reuniones anuales y tiene más de 13,000 miembros. MRS patrocina reuniones que se subdividen en simposios sobre una gran variedad de temas, a diferencia de las reuniones más enfocadas que suelen patrocinar organizaciones como la Sociedad Estadounidense de Física o el IEEE. La naturaleza fundamentalmente interdisciplinaria de las reuniones de MRS ha tenido una fuerte influencia en la dirección de la ciencia, particularmente en la popularidad del estudio de los materiales blandos, que se encuentran en el nexo de la biología, la química, la física y la ingeniería mecánica y eléctrica. Debido a la existencia de libros de texto integradores, sociedades de investigación de materiales y cátedras universitarias en todas partes del mundo, programas de licenciatura, maestría y doctorado y otros indicadores de formación disciplinaria,

En 1958, el presidente Dwight D. Eisenhower creó la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada (ARPA), denominada Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) desde 1996. En 1960, ARPA alentó el establecimiento de laboratorios interdisciplinarios (IDL) en campus universitarios, que se dedicaría a la investigación de materiales, así como a la educación de los estudiantes sobre cómo realizar investigaciones en ciencia de materiales. ARPA ofreció contratos IDL de 4 años a universidades, originalmente a la Universidad de Cornell, la Universidad de Pensilvania y la Universidad de Northwestern, y finalmente otorgó nueve contratos más. Aunque ARPA ya no tiene el control del programa IDL (la Fundación Nacional de Ciencias se hizo cargo del programa en 1972), el establecimiento original de IDL marcó un hito importante en la investigación y el desarrollo de la ciencia de los materiales en los Estados Unidos.

Era del silicio

El campo de la cristalografía, donde los rayos X se proyectan a través de cristales de un material sólido, fue fundado por William Henry Bragg y su hijo William Lawrence Bragg en el Instituto de Física durante y después de la Segunda Guerra Mundial. La ciencia de los materiales se convirtió en una importante disciplina establecida tras el inicio de la era del silicio y la era de la información. Esto condujo al desarrollo de computadoras modernas y luego a teléfonos móviles, con la necesidad de hacerlos más pequeños, rápidos y potentes, lo que llevó a la ciencia de los materiales a desarrollar materiales más pequeños y livianos capaces de manejar cálculos más complejos. Esto, a su vez, permitió que las computadoras se usaran para resolver cálculos cristalográficos complejos y automatizar experimentos de cristalografía, lo que permitió a los investigadores diseñar técnicas más precisas y poderosas. Junto con las computadoras y la cristalografía,

Mohamed Atalla, en el laboratorio de semiconductores de Hewlett-Packard (HP) en la década de 1960, lanzó un programa de investigación de ciencia de materiales que proporcionó una tecnología base para dispositivos de arseniuro de galio (GaAs), fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) y arseniuro de indio (InAs). Estos dispositivos se convirtieron en la tecnología central utilizada por la División de Microondas de HP para desarrollar barridos y analizadores de red que impulsaron la frecuencia de 20 a 40 GHz, lo que le dio a HP más del 90% del mercado de comunicaciones militares.