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martes, 12 de octubre de 2010

LA EVOLUCIÓN DE LOS MATERIALES


 
De las cuevas prehistóricas...
Los primeros asentamientos humanos, hace unos 400.000 años, se han encontrado en cuevas, de las que los hombres primitivos pasaron a pequeñas cabañas hechas con ramas. El primer material estable que emplearon para construir fue la piedra, por dos razones: su inalterabilidad y su disponibilidad.
Se adoptaron gran cantidad de soluciones, dependiendo del tipo de roca abundante en la zona y del grado de desarrollo de cada grupo humano. En un principio, la falta de medios llevó a las personas a trabajar con piedras muy grandes (megalitos), que requerían un trabajo muy costoso. Aunque ya entonces decoraban esas grandes rocas, dejando en ellas las huellas de su cultura.
La posibilidad de trabajar la piedra se remonta a unos 3.000 años a. C., y los mejores trabajos de esa época los encontramos en Egipto, tanto por el tamaño de sus construcciones como por su belleza y durabilidad. Las pirámides se construían con grandes bloques de piedra, perfectamente cortados para un encaje óptimo. La fuerza motriz en estas obras la ponían las personas.
Los arquitectos griegos trabajaban ya con ladrillos de adobe, una mezcla de barro, agua y paja con la que se hacían pequeños bloques que se dejaban secar al sol hasta que se endurecían. Este material, menos pesado y más manejable, permitió a los griegos aplicar nuevas soluciones técnicas, levantando edificios de varias plantas. Estas técnicas son las mismas que se han utilizado en albañilería a lo largo de 2.000 años.

LA EDAD DE PIEDRA Y EL HOMBRE PREHISTÓRICO (HASTA ~3000 A. C.)
El hombre de la Edad de Piedra, inmerso en un ambiente hostil de animales salvajes, climas extremos y terrenos desfavorables, tuvo que ser práctico, creativo e inventivo, para lograr su propia supervivencia. La piedra, un elemento que abunda en la superficie terrestre, fue el material más utilizado por el hombre primitivo, quien desarrolló una gran destreza para crear armas punzo-cortantes, tales como cuchillos, arpones, flechas y lanzas, para defenderse de las bestias y a la vez alimentarse de ellas.
De igual manera, el hombre prehistórico comenzó a explotar los recursos naturales que se encontraban a su alcance, tales como la madera, hojas, fibras vegetales, conchas, piel y hueso, para utilizarlos en la fabricación de herramientas, ornamentos, vestido y para la construcción. El hombre del neolítico descubrió que la arcilla (barro) se ablandaba al mezclarse con agua, y se endurecía al secarse. Este ciclo de ablandamiento-endurecimiento se podía repetir una y otra vez al ir añadiendo agua. Cuando se introducían los bloques de arcilla húmeda dentro de una hoguera por un determinado tiempo, éstos quedaban permanentemente endurecidos al enfriarse y eran resistentes al agua.
Figurines en forma de humanos y de animales, tablillas, ladrillos, vasijas y diversos ornamentos han sido encontrados.

LA EDAD DEL COBRE Y LOS ORÍGENES DE LA METALURGIA (~5000 A.C.~1500 A.C.)
El hombre neolítico descubrió que el cobre natural podía ser suavizado al calentarlo, y endurecido al deformarlo mediante martilleo. Debido a su versatilidad para ser trabajado y a su mayor durabilidad, el cobre desplazó progresivamente a la piedra y se posicionó como el material preferido por el hombre para la fabricación de herramientas y objetos ceremoniales. Sin embargo, una vez que el cobre natural escaseó, el hombre se vio obligado a poner su atención en los metales contenidos en los minerales.
Así, los antiguos habitantes de Anatolia (hoy Turquía) y sus alrededores, descubrieron que era posible extraer cobre líquido si calentaban un mineral compuesto principalmente por óxido de cobre: la malaquita. Además, notaron que el metal líquido extraído presentaba una gran facilidad de ser vaciado en moldes con formas variadas. De esta manera, el hombre de aquella época inventó el forjado, el recocido, la fundición, el moldeo y la extracción de metales a partir de minerales; en pocas palabras, inventó lo que hoy conocemos como metalurgia.

LA EDAD DEL BRONCE  Y EL DESARROLLO DE LAS ALEACIONES (~2000 A.C. ~0)
Hacia el tercer milenio antes de nuestra era, se establecieron los primeros contactos entre comunidades humanas apartadas. Esto propició la apertura de nuevas rutas comerciales para transportar los productos de la época, incluyendo los minerales y los metales, cuya posesión se fue convir-tiendo poco a poco en sinónimo de poder, riqueza y bienestar.
La ambición humana propició la invasión entre pueblos, con el afán de apoderarse de sus metales preciosos y de sus recursos naturales. Uno de los métodos escogidos por el hombre primitivo para lograr este fin fue la violencia. Sin embargo, los metales puros de la época, como el cobre, el oro y la plata resultaban demasiado suaves para ser empleados en la fabricación de armas de combate. Evidentemente, en este punto de la historia, el espíritu bélico del ser humano alimentó a su espíritu innovador. Algunas sociedades de Medio Oriente descubrieron que al mezclar mineral de estaño y mineral de cobre, previo al proceso de fundición, el producto resultante presentaba ventajas significativas en relación con todos los metales conocidos hasta entonces.

Por ejemplo, el nuevo material era más fácil de fundir que el cobre y podía fluir más libremente dentro de los moldes sin producirse burbujas de gas. Además, se endurecía más rápidamente después de ser vaciado, y podía ser endurecido aún más mediante el martilleo. Los atributos del nuevo material, hoy conocido como bronce, lo convirtieron en el metal idóneo para la fabricación de las armas que las sociedades necesitaban para acrecentar su poderío económico y político. De esta forma, el hombre primitivo descubrió, desarrolló y perfeccionó las técnicas que permiten producir metales con propiedades sustancialmente diferentes a las de sus constituyentes individuales; es decir, inventó las aleaciones.

EDAD DEL HIERRO (~1000 A.C.~1950 D.C.)
Ya conocido por el hombre de la Edad del Cobre, el mineral de hierro era comúnmente utilizado para facilitar la obtención del cobre a partir de la malaquita. Durante el proceso de fusión del cobre se obtiene un subproducto de escoria porosa que consiste mayormente en hierro puro y dióxido de silicio (sílice). Al martillar esta escoria, era posible separar la sílice del hierro. Sin embargo, por ser más suave que el bronce, el hierro puro se utilizó primordialmente en ornamentos y objetos ceremoniales.
Así, el hierro fue muy escasamente utilizado hasta el advenimiento del “hierro bueno”, inventado (accidentalmente) en 1140 a. C. por los hititas, una civilización que habitaba regiones de lo que hoy es Turquía. Los hititas mantuvieron por unos 200 años el secreto del “hierro bueno”, el cual consistía en calentar el hierro dentro de un horno de carbón, martillar la pieza para compactarla y remover el óxido producido, repitiendo el procedimiento varias veces. Durante el calentamiento en el horno, los átomos de carbono se difundían hacia el interior del hierro, ¡produciendo acero de bajo carbono! Nunca se descubrió que el carbono era el responsable del “hierro bueno”, sino hasta 1774 d.C. (¡casi 3 mil años después!).
Pero ¿por qué cambiar el bronce por el hierro? En primer lugar, el hierro es más abundante sobre la superficie terrestre (~5 por ciento) en comparación con el cobre (~50 ppm) y el estaño (~3 ppm). En segundo lugar, el Medio Oriente y Europa del Este fueron invadidas por “la gente del mar” en 1200 a. C., provocando que los hititas se diseminaran por toda Europa. Así, el conocimiento tecnológico para producir el “hierro bueno” se difundió rápidamente en una época en la que el comercio del estaño se había interrumpido, dificultando así la producción de más bronce y facilitando la transición hacia la era del hierro.

PRODUCCIÓN DE HIERRO EN EL LEJANO ORIENTE
Los avances más importantes en cuanto a la tecnología del hierro y el acero en esta época se verificaron en el Lejano Oriente, especialmente en China y la India. Los chinos imitaron la tecnología de los hititas, hasta llegar a desarrollar sus propios métodos, entre los cuales destaca la invención del alto horno. El hierro líquido extraído del mineral era vaciado en moldes, con lo cual nace el hierro fundido. Esta aleación, con mayor contenido de carbono que el acero, se funde a una temperatura menor y puede llegar a poseer una mayor dureza.
Sin embargo, debido a su relativa fragilidad, los chinos tuvieron que idear técnicas para brindarle ductilidad al hierro fundido. Esto lo lograban sometiendo el hierro a un proceso de calentamiento por debajo de su punto de fusión por un determinado tiempo. Es decir, los chinos de aquellos días no sólo inventaron el alto horno, el hierro fundido y la tecnología para producirlo, sino que también inventaron los tratamientos térmicos de los metales.
Por otra parte, la extracción de hierro se reporta en el libro más antiguo de la religión hinduista, el Rig Veda (1200 a. C.). Los pobladores de la India eran especialistas en la producción del acero conocido como Wootz, el cual era utilizado en la elaboración de espadas de una calidad altamente valorada en aquella época, particularmente en el Medio Oriente. Esta técnica de fabricación de espadas de acero fue posteriormente adoptada por los sirios, que lo renombraron Acero Damasco.

LA EUROPA MEDIEVAL  Y LA DIFUSIÓN DEL CONOCIMIENTO  (1300 D.C. - 1650 D.C.)
Gracias a la invención de la imprenta en 1450, el conocimiento científico acerca de los materiales comenzó a ser publicado y divulgado por toda Europa de manera masiva. Georgius Agricola, metalurgista extractivo alemán, sintetizó toda la información disponible en cuanto a las prácticas mineras y metalúrgicas del siglo XVI en su libro De re metallica, publicado en 1532. Poco después, en 1540, el metalurgista italiano Vannoccio Biringuccio escribió un libro titulado De la pirotecnia, en el cual presentaba y discutía aspectos prácticos relacionados con la fundición de los metales. Por otra parte, con la publicación de Della Scienza Mecánica, en 1593, Galileo abordó por primera vez el tema de la resistencia de los materiales desde un punto de vista científico. Sin lugar a dudas, esta etapa de la historia de la humanidad dejó en claro que el poner el conocimiento científico al alcance de las masas es tan importante como generar el conocimiento mismo.


DE LA REVOLUCIÓN INDUSTRIAL A LOS POLÍMEROS
En Inglaterra, Abraham Darby descubrió que el coque podía ser utilizado en lugar del carbón para la obtención del hierro en alto horno. Este descubrimiento trajo como consecuencia que los costos de producción de hierro disminuyeran considerablemente, y por lo tanto facilitó su producción a gran escala. Esto no sólo impactaría en la forma de producir hierro y acero en los años venideros, sino que cambiaría la manera de vivir de la sociedad para siempre: eran los albores de la Revolución Industrial.
Hacia finales del siglo XVIII, la mano del hombre trabajador se vio desplazada por las máquinas, las cuales estaban construidas casi totalmente de hierro. Este hecho empujó los límites de la metalurgia hacia nuevos horizontes. Por otro lado, el extensivo desarrollo de la minería dio origen a los nuevos medios de transporte como el ferrocarril y los barcos impulsados a vapor. El hierro y el acero comenzaron a utilizarse como materiales estructurales en la construcción de puentes, lo cual, aunado a la invención del concreto en 1755, facilitó las travesías comer-ciales entre las sociedades a lo largo de nuevos canales de navegación y carreteras.

EL SIGLO XX Y LA INGENIERÍA DE LOS MATERIALES
Poco antes de la llegada del siglo XX, Charles Martin Hall había inventado la reducción electrolítica de la alúmina en aluminio; Pierre y Marie Curie habían descubierto la radioactividad, y William Roberts-Austen había construido el diagrama de equilibrio de fases entre el hierro y el carbono.
Tal vez ninguno de ellos se podía siquiera imaginar lo que el nuevo siglo significaría para el progreso de nuestra civilización gracias a los materiales. Incluso el acero, inventado varios miles de años atrás, sería capaz de adaptarse a los tiempos modernos y encontrar nuevos usos y aplicaciones.
Por ejemplo, apenas recientemente se ha reportado la producción de las primeras aleaciones nano-estructuradas de hierro con resistencias comparables a las de los nanotubos de carbono [3]. Es claro que durante el siglo XX se aceleró significativamente el ritmo del desarrollo tecnológico en todos los campos del conocimiento. En lo que a los materiales se refiere, sería poco práctico enumerar todos los eventos que contribuyeron de manera importante para lograr el nivel de desarrollo actual; sin embargo, cabe destacar los siguientes: el descubrimiento de la difracción de los cristales de rayos X; el descubrimiento de las cadenas poliméricas; la invención del PVC; la invención de las superaleaciones; el desarrollo de las cintas magnéticas; la creación del microscopio electrónico; el desarrollo del nylon; el desarrollo de los superconductores, el transistor, los MEMS, las aleaciones bio-compatibles, las aleaciones con memoria de forma, la fibra óptica, los nanomateriales, etcétera. En resumen, el hombre del siglo XX fue capaz no sólo de “encontrar usos para cada material, sino de diseñar y sintetizar los materiales más adecuados para los nuevos requerimientos. Hoy se especifican las características del material necesario para una aplicación dada y después se fabrica” . Esto es precisamente la Ingeniería de los Materiales.

En años recientes, se han presentado nuevos retos científicos ante los ojos de la humanidad. El deseo de conquistar el espacio sigue vigente en el hombre moderno. Hoy, más que nunca, se explora la posibilidad de construir estructuras híbridas como los bio-sensores, para beneficio del cuerpo humano. La famosa imagen de la IBM formada con átomos de Xenón nos plantea las bases para la creación de estructuras más complejas de tamaño diminuto. Motores y mecanismos nanométricos son los primeros ejemplos del potencial uso de esta nueva tecnología. Las siguientes generaciones de procesadores de información se verán beneficiadas por la aplicación de la nanotecnología. 

CLASIFICACION DE LOS MATERIALES
Los materiales se clasifican generalmente en cinco grupos: metales, cerámicos, polímeros, semiconductores y materiales compuestos. Los materiales de cada uno de estos grupos poseen  estructuras  y propiedades distintas.
Metales. Tienen como característica una buena conductividad eléctrica y térmica,  alta resistencia, rigidez, ductilidad.  Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Las aleaciones (combinaciones de metales) conceden alguna propiedad particularmente deseable en mayor proporción o permiten una mejor combinación de propiedades.
Cerámicos. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica y son usados a menudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas de procesos consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos.
Polímeros. Son grandes estructuras moleculares creadas a partir de moléculas orgánicas. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia y debe evitarse su uso a temperaturas elevadas. Los polímeros termoplásticos, en los que las cadenas moleculares no están conectadas de manera rígida, tienen buena ductibilidad y conformabilidad; en cambio, los polímeros termoestables son más resistentes, a pesar de que sus cadenas moleculares fuertemente enlazadas los hacen más frágiles. Tienen múltiples aplicaciones, entre ellas en dispositivos electrónicos.
Semiconductores. Su conductividad eléctrica puede controlarse para su uso en dispositivos electrónicos. Son muy frágiles.
Materiales compuestos. Como su nombre lo indica, están formados a partir de dos o más materiales de distinto grupos, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de forma individual.


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