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 por Raúl Bolmaro

  • Contribuyendo

 

En la vida cotidiana efectuamos clasificaciones primitivas, aunque efectivas, de los materiales que utilizamos o con los que simplemente tropezamos. Es común catalogar los materiales en naturales (maderas por ejemplo) y artificiales (plásticos por ejemplo). Una clasificación más fina tiende a dividirlos en metales, vidrios, plásticos, maderas, cerámicos, cartones, etc.. Un observador más perspicaz diferenciaría incluso los distintos tipos de plásticos: baquelita (mangos de ollas y planchas), PVC (bolsas de residuos y cañerías), PET (botellas de gaseosas), etc.. O entre distintos metales y aleaciones: hierro, acero, cobre, bronce, aluminio, etc.. Incluso un usuario avispado podrá seleccionar el material más adecuado para diversos usos dependiendo del ambiente en el que se encontrará, sus características ornamentales, temperatura de trabajo, etc.. Sin embargo la selección de los materiales de acuerdo a su mayor capacidad para cubrir las expectativas de uso es generalmente hecha por el proveedor de los equipos, herramientas o dispositivos que adquirimos en el mercado.


Cuáles son las características que debe tener en cuenta el diseñador para la selección de los materiales que utilizará de modo de obtener las máximas prestaciones con el menor costo?. Cuáles son las razones por las que las cosas se hacen de un material y no de otro?. Qué es lo que hace a algunos materiales más caros aunque mejores para satisfacer determinadas demandas?. De contestar éstas y otras preguntas se encarga la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Como actividad humana consciente el desarrollo y entendimiento de los materiales ha ocupado un período relativamente corto de la historia de la humanidad. Lo mismo que para la mayoría del conocimiento humano la mayor parte de la ciencia y la tecnología de los materiales era inexistente un siglo atrás. El pasado siglo vio el nacimiento de materiales asombrosos gracias a la síntesis y fabricación científicamente dirigida. Intentaremos dar un pantallazo para nada exhaustivo de las características de los materiales y las actividades que actualmente se desarrollan en nuestro medio con el objeto de entender y desarrollar nuevos materiales.

La base de las propiedades de los materiales

Algunos materiales parecen ser baratos en términos de energía utilizada porque el procedimiento para la incorporación de esa energía está provisto y diseñado mayormente por la naturaleza. Un material tan útil y complejo como la madera resulta difícil de reemplazar no sólo por sus ventajosas propiedades sino porque la mayor parte de su energía de fabricación es incorporada naturalmente en el proceso de fotosíntesis y consecuente crecimiento de los árboles.
Otros materiales producidos también por la naturaleza son sin embargo muy caros porque son escasos y la energía (trabajo) involucrada en la detección, extracción, acarreo, etc.. es muy alta (diamantes por ejemplo). El hierro, y sus aleaciones denominadas aceros, es uno de los materiales más baratos para la construcción de estructuras debido fundamentalmente a una razón: Es uno de los materiales más abundantes en la corteza terrestre. Sólo superado por el oxígeno, el silicio (arena) y el aluminio (arcillas) y seguido por el calcio y el magnesio. Todos ellos constituyen una parte importante de los materiales que usamos a diario. El silicio como óxido de silicio (O2Si) en los vidrios, arenas y piedras para construcción y semiconductores. El aluminio en sus estados como arcillas y metálico. Últimamente el magnesio ha tenido un auge de producción como metal liviano (aún más liviano que el aluminio). Pero volviendo al hierro es casi un azar de la naturaleza que el hierro sea uno de los elementos más estables desde el punto de la energía de sus núcleos. Esas fábricas de elementos que constituyen las estrellas tardan millones de años en sintetizar elementos pesados. El hierro es uno de los últimos y allí termina su capacidad porque han llegado a sintetizar el elemento más estable que se conoce. Teóricamente en unos miles de millones de años el universo podría ser sólo una inmensa esfera de hierro. Eso es lo que lo hace tan abundante entre los materiales pesados y se puede decir que el ingreso de los seres humanos a la edad del hierro constituye uno de los hitos principales en el proceso civilizatorio.

Un hito tan lejano, en el origen de la humanidad como raza consciente, introduce inmediatamente la pregunta de porqué se ha tardado tanto en dominar científicamente a los materiales. El uso del fuego y los metales son la primer señal de que algo grande iba a surgir de esos monos, los seres humanos. El fuego era el dominio de la energía, el hierro era el dominio del mundo material. Miles de años nos ha tomado entender a uno y al otro.


Las respuestas

El conocimiento de la materia depende de un estudio sistemático de las propiedades de interacción entre sus componentes primordiales. Los gases tienen la propiedad de interactuar poco entre sí y las ciencias que los estudian nacen con la termodinámica y sus estudios de los gases. Las tecnologías que se desarrollan a posteriori posibilitan el advenimiento de las modernas máquinas de vapor y combustión interna y de la revolución industrial.

Los materiales sólidos (los que habitualmente se denominan materiales) poseen una estructura interna más compleja debido a las interacciones fuertes que se establecen entre sus átomos y moléculas. Su estudio científico data de fines del siglo XIX.

A fines del ese siglo Röetgen descubre los rayos X (o rayos Röetgen) y comienza su febril aplicación al estudio de los materiales. La mayor parte de los materiales tienen una estructura interna ordenada, en la forma de cristales. Todos ellos producen un espectro, al ser estudiados con rayos X, característico de esa estructura cristalina o aún de su ausencia.


El próximo avance fue la invención de los microscopios electrónicos de barrido (SEM=Scanning Electron Microscope) y de transmisión (TEM= Transmision Electron Microscope). En ellos la energía con que se inspecciona los materiales no es la de la luz visible (microscopios ópticos) ni los rayos X sino los electrones. Debido a sus dimensiones y propiedades electromagnéticas pueden ser focalizados por lentes magnéticas de modo de producir imágenes de altísima definición.
El siguiente avance ha sido los microscopios de fuerza atómica, iónico, de efecto de campo, etc.. Todos basados en la extraordinaria capacidad de la microelectrónica actual para posicionar sondas de análisis en las inmediaciones de las superficies de los materiales.

Metodologías más costosas o menos frecuentes son la Espectrometría de Emisión de Positrones, la difracción de neutrones, diversas espectrometrías de rayos X , etc..
Todas esas técnicas contribuyen en su medida al estudio microscópico de los materiales. La estructura interna de los mismos, sus defectos, los aleantes, los precipitados, impurezas, etc., constituyen la razón última del comportamiento de los materiales. Los hay blandos y flexibles (polímeros), dúctiles pero fuertes (metales), rígidos pero frágiles (cerámicos) o cualquier combinación de esas propiedades. Dependiendo del control preciso de la estructura molecular y/o cristalográfica y de sus defectos o de la combinación de las mismas se pueden diseñar o, al menos entender, una amplia variedad de materiales para diversos usos.
Resulta casi imposible explicar, en un artículo de dimensiones razonables, las mil y una causas para el comportamiento de los materiales. Intentaremos mostrar, sólo a modo de ejemplo, las diferencias entre materiales frágiles y dúctiles. La razón principal para tal comportamiento está dada por el tipo de uniones atómicas característicos de tales materiales.

Los metales poseen características únicas que los diferencian, en la experiencia cotidiana, al punto de hacerlos fácilmente distinguibles. Es conocimiento corriente que los metales son buenos conductores del calor y la electricidad y se pueden conformar en diversas formas útiles. En tanto los cerámicos se sabe que son malos conductores del calor y la electricidad y son de comportamiento frágil ante cualquier intento de doblarlos o conformarlos.
Como es sabido todos los átomos se hallan constituidos por núcleos pesados, conformados por neutrones y protones, y electrones, mucho más livianos, orbitando a relativamente grandes distancias del núcleo. Como hay tantos electrones como protones los átomos son naturalmente neutros, dado que electrones y protones poseen cargas eléctricas iguales y de signos opuestos. Además los electrones no conforman una nube informe alrededor de los núcleos sino que se disponen en órbitas bastante bien definidas con distancias variables, dependiente del número de electrones que posee el átomo. Los metales tienen pocos electrones en sus órbitas exteriores. En esas condiciones, cuando se hayan conformando un sólido con otros átomos iguales, tienden a satisfacer su neutralidad compartiendo esos electrones con sus vecinos en una nube electrónica que se mueve más o menos libremente en todo el sólido. Ante el menor campo eléctrico externo estos electrones tienden a moverse rápidamente y por eso los metales son buenos conductores eléctricos. Los no metales en cambio tienen sus órbitas exteriores pobladas por varios electrones (3, 4 o 5) y tienden a combinarse formando compuestos en los cuales las uniones son muy direccionales y los electrones se hayan muy localizados y amarrados a átomos individuales. Los campos eléctricos aplicados son generalmente no suficientes para arrancarlos de sus posiciones y estos materiales constituyen buenos aislante eléctricos. Explicar las propiedades de conductividad del calor requeriría mayor espacio pero utilizaremos lo dicho para explicar la ductilidad-fragilidad de los materiales. En la figura se muestra esquemáticamente una estructura cristalina propia de los metales y una característica de los cerámicos. La disposición de los átomos de un cristal metálico muestra un arreglo periódico embebido en un mar de electrones siempre dispuestos a flotar libremente por todo el cristal. En esas condiciones las uniones no son para nada direccionales y ante una tensión aplicada en una grieta los átomos deslizan entre sí y la grieta se ensancha en forma dúctil. En cambio la estructura de los cerámicos posee uniones muy fuertes que prefieren, ante una solicitación externa en una grieta, romperse antes que deslizar. La grieta tiende a progresar catastróficamente y a atravesar el material de una forma característica de una rotura frágil. Entre otras observaciones cotidianas nos debe haber asombrado ver como un plato que aparentemente ha salido indemne de un golpe, o con una pequeña saltadura del esmalte superficial, poco a poco desarrolla una grieta que progresa con los días hasta partir el plato en dos. Lo mismo ocurre con las roturas de parabrisas o de vidrieras de negocios. La vajilla se haya usualmente protegida contra el progreso de grietas superficiales por el esmalte que cumple, además, con una función ornamental. Al faltar el esmalte las grietas concentran tensiones que sólo pueden relajarse por rotura frágil. Los metales en cambio, relajan las tensiones por deformaciones plásticas localizadas.

Así como ésta, muchas propiedades pueden explicarse por medio de argumentos, más o menos complicados, basados en el conocimiento íntimo de los materiales. Ese conocimiento permite llevar la aplicación de los materiales a límites insospechados. La reducción en peso y aumento de resistencia, con la concomitante reducción de consumo de combustible hace posible el aumento del tráfico aéreo tanto de personas como de cargas. Los materiales para uso médico, ya sea implantes o reemplazos, han sido posibles debido a los estudios sobre corrosión y bio-compatibilidad. Los modernos sistemas de computación son posibles gracias a una forma ultrapura de arena (O2Si), que luego se impurifica controladamente para producir un material con características eléctricas y magnéticas únicas para constituir el clásico microprocesador. Los motores de combustión de nuestros automóviles poseen una eficiencia muy superior a los originales, diseñados 100 años antes, gracias a las mayores temperaturas de trabajo y mayor resistencia al desgaste de los materiales con que se fabrican. En el uso de energías alternativas el desarrollo de las celdas fotovoltaicas ha puesto a la energía solar en el límite del aprovechamiento comercial. La transmisión de mensajes e información de toda índole es posible gracias al desarrollo de otra forma de arena ultrapura, amorfa esta vez, que permite fabricar las fibras ópticas. Todo esto por mencionar sólo los hechos más sobresalientes y sin mencionar los miles de adminículos cotidianos que son posibles sólo gracias a las miles variantes de plásticos (juguetes y artículos del hogar), materiales reforzados (raquetas, palos de golf, etc), recubrimientos (ollas y sartenes), materiales ultralivianos (teléfonos celulares, aparatos ortopédicos), etc.


Contribuyendo

El país, y la ciudad de Rosario en particular cuenta con muchos centros de desarrollo e investigación en materiales. Y eso a pesar de la escasa inversión efectuada por el país en ciencia y técnica. La Universidad Nacional de Rosario y el Instituto de Física Rosario poseen una infraestructura incipiente de equipamiento y personal científico dedicados a la investigación en materiales convencionales y avanzados. Las industrias son generalmente reacias a intentar desarrollos locales de tecnología de materiales. No obstante, en varias oportunidades la interacción entre los investigadores y las empresas privadas ha resultado provechosa.
Tanto en éste como en otros campos de la investigación científica y tecnológica la convicción sobre la necesidad de impulsar su desarrollo no se manifiesta en los planes ni en los discursos de los dirigentes. Mucho menos en sus acciones concretas. El real convencimiento acerca de la necesidad imperiosa de hacer ciencia y tecnología se manifestaría en una provisión cuantiosa de recursos aun en épocas de crisis económicas. Es más, es en esas crisis cuando se manifiesta con mayor fuerza una convicción. Sólo un esfuerzo sobrehumano puede lograr que un país salte el límite en el cuál la economía pasa a encontrarse basada en la producción y comercialización de productos tecnológicos en lugar de productos primarios. Nuestro país, por la vía de acontecimientos complejos que no viene al caso discutir aquí, tiene reservada una cuota en la producción internacional fundamentalmente en el sector agropecuario. De no ser por acontecimientos casuales (descubrimiento de yacimientos de petróleo por ejemplo) cambiar el perfil productivo y exportador de un país o región lleva al menos una generación. Llevamos ya una generación de democracia y no hay ni un atisbo de intentar un cambio. Sólo cabe esperar que la próxima generación lo intente y piense en utilizar los beneficios de cosechas récord o los ahorros presupuestarios en el desarrollo de una capacidad autónoma de producción científico-tecnológica.

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Fig.1

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Fig. 2: Equipo de rayos X existente en el Instituto de Física Rosario

Este artículo ha sido publicado en: REFLEXIONES, Políticas y Sociales, Centro de Estudios para la Democracia Social, Noviembre-dicembre 2001, Año 2, Nº3.

 

Raúl Eduardo Bolmaro
Grupo de Materia Condensada II - Ciencia de los Materiales
Instituto de Física Rosario
Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura
Universidad Nacional de Rosario
Bv. 27 de febrero 210 bis - 2000 Rosario - Argentina
Phone: 54 341 480 8545 / 54 341 485 3200 / 54 341 485 3222 Fax: 54 341 480 2653/54 / 54 341 482 1772

Short description of research topics and interests

Measurement and simulation of mechanical properties of materials. Textures, residual strains and stresses, etc. of metals, alloys, composites, ceramics, etc.. X-ray and neutron diffraction.

Página Web: www.ifir.edu.ar
Correo Electrónico: bolmaro@ifir.edu.ar

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