Organización de la Materia: Estructura y Clasificación

Introducción a los componentes fundamentales de la materia.

Conceptos Fundamentales

Elementos químicos: Son los ladrillos con los que está compuesta toda la materia. En 2008 se conocían 116, de los cuales solo 90 se encuentran en la naturaleza; el resto son artificiales.

Compuestos químicos: Son sustancias que no pueden separarse en sus componentes mediante procedimientos físicos como filtración, destilación o decantación. Las propiedades físicas y químicas de un compuesto son diferentes a las propiedades de los elementos que lo componen.

Mezclas de materiales y Aleaciones: Las aleaciones son mezclas realizadas artificialmente con dos o más elementos o compuestos químicos. Se elaboran para mejorar las propiedades físicas de los componentes, con el objetivo de formar una sustancia adecuada a funciones específicas.

Composite: Es un término inglés que se refiere a materiales compuestos por dos o más materiales que tienen propiedades químicas o físicas diferentes, formando una sustancia con propiedades distintas a las de sus componentes por separado.

Origen y Obtención de Materiales

Exploramos las diversas fuentes de donde provienen los materiales que utilizamos.

• Materiales naturales: Obtenidos directamente de la naturaleza (ej. madera, granito).
• Materiales transformados: Se obtienen transformando algún material natural o mezclando varios (ej. papel, caucho vulcanizado, acero).
• Materiales artificiales o sintéticos: Se obtienen como productos de procesos químicos o físicos (ej. fibras artificiales, plásticos).
• Materiales reciclados: Obtenidos de objetos del mismo material (ej. papel, vidrio).

La Búsqueda de Materias Primas

Las materias primas son materiales que se extraen de la naturaleza para fabricar productos. Sin embargo, el desafío principal sigue siendo el mismo que hace miles de años: el acceso a los lugares donde se encuentran.

Los Metales en la Naturaleza

Un mineral es una sustancia sólida compuesta que se encuentra de forma natural en la corteza terrestre. En su composición hay al menos un metal y un no metal.

Un mineral que contiene cantidades suficientes de metal con valor económico se llama mena. En el caso del cobre, su extracción es rentable si contiene más del 0,5% de cobre.

Es importante recordar que los minerales son un recurso limitado y no renovable.

El Coltán: Un Recurso Estratégico

El coltán es la abreviatura originalmente utilizada en África para referirse a dos minerales: la columbita (óxido de niobio, Nb₂O₅, con hierro y manganeso) y la tantalita (óxido de tántalo, Ta₂O₅, con hierro y manganeso). Suelen encontrarse juntos, formando parte de determinados tipos de granito.

El niobio se usa en la fabricación de imanes de alto poder magnético y es clave en el desarrollo de micromotores como los que utilizan los discos duros, altavoces y auriculares cada vez más potentes y compactos.

El tántalo se emplea en la fabricación de condensadores y está presente en todas las baterías que utilizan los teléfonos o cualquier otro tipo de aparato con baterías recargables.

Materiales Modernos: Plásticos y Papel

Los Plásticos: Versatilidad y Plasticidad

Los plásticos tienen en común su plasticidad. La plasticidad es una propiedad de los materiales que les permite ser moldeados fácilmente para adquirir la forma deseada.

El Papel: Desafíos y Sostenibilidad

Problemas asociados a la fabricación de papel:

La fabricación de papel requiere grandes cantidades de árboles, agua y energía, lo que la convierte en una pesadilla ecológica. Los principales problemas incluyen:

• La deforestación provocada por la tala indiscriminada de árboles. En España se necesitan aproximadamente 3 millones de metros cúbicos de madera cada año.
• La enorme cantidad de agua que se precisa para la fase de separación de la celulosa de la lignina.
• La contaminación de ríos debido al uso de compuestos de azufre, cloro u ozono en los procesos de blanqueado de la pulpa de celulosa.
• La energía empleada para mover las máquinas, calentar el agua, etc.

Impacto de la Deforestación:

La problemática que hemos estado enfrentando en los últimos años, provocada por la inmensa tala excesiva de los bosques, ha generado en nuestro planeta una gran diversidad de problemas; entre ellos: erosión, encarecimiento de suelos ricos en minerales, desaparición de fauna y una gran pérdida de la flora. Estos problemas han evidenciado la explotación de los bosques tropicales, los cuales son conocidos como los pulmones del mundo.

El Carbono y la Nanotecnología: El Futuro de los Materiales

El Mundo del Carbono

Con una estructura atómica pequeña (6 protones y 6 neutrones), el carbono es el elemento más importante de nuestra existencia, ya que está presente en la mayor parte de los componentes que forman los seres vivos. Cuando varios átomos de carbono se unen, se forman redes cristalinas. Sus propiedades varían según la forma cristalina en que se encuentre y cómo estén enlazados los átomos. Por ejemplo, el grafito es diferente al diamante; el diamante es la sustancia natural más dura que se conoce.

¿Cómo se fabrica la fibra de carbono? Es un hilo largo y muy delgado, compuesto fundamentalmente de átomos de carbono. Los átomos se unen entre sí al formar cristales microscópicos que se sitúan paralelos al eje de la fibra. La alineación de estos cristales confiere a la fibra una resistencia increíble para su tamaño.

Aplicaciones Nanoscópicas: Fulerenos y Nanotubos

El fulereno es una molécula formada por 60 átomos de carbono. Su estructura es muy particular; puede adoptar la forma de una pelota, lo que abre muchas posibilidades en campos como la biología y la medicina.

Además de la forma de balón, puede adquirir forma de tubo (un nanotubo), lo que ofrece muchísimas aplicaciones. Estos tienen pocos nanómetros de diámetro, pero pueden alcanzar varios cientos de miles de nanómetros de longitud. Si el nanotubo incorpora, además de carbono, otros elementos como el boro, puede convertirse en conductor. Si se utilizan como nanocables en un semiconductor, hablaríamos de nanointerruptores. Los nanotubos de carbono tienen la ventaja de conducir electrones casi instantáneamente de un extremo a otro sin producir pérdidas de energía.

El Futuro: La Nanotecnología

La nanotecnología es una ciencia aplicada que se enfoca en el diseño, la fabricación y la aplicación de materiales y aparatos a escala nanométrica.

Abre un mundo de posibilidades para la creación de máquinas y materiales que antes no creíamos posibles. Permite diseñar nuevos materiales que reúnan condiciones excepcionales desde la primera molécula, asegurando que el comportamiento del objeto sea exactamente como deseamos.

La Nanotecnología a Nuestro Alrededor

Algunas aplicaciones actuales y futuras de la nanotecnología incluyen:

• Aplicaciones eléctricas: Baterías flexibles de nanotubos de carbono, LEDs para reemplazar las bombillas tradicionales, ofreciendo mejor calidad de iluminación.
• Aplicaciones en la electrónica: Nanochips, permitiendo la miniaturización más extrema posible.
• Aplicaciones en medicina y farmacia: Las buckyballs (fulerenos) para encapsular medicamentos, una forma innovadora de gestionar enfermedades.
• Aplicaciones en la industria textil: Tejidos que repelen líquidos, más resistentes o con propiedades inteligentes.
• Aplicaciones en arquitectura y urbanismo: Recubrimientos avanzados, vidrios fotocrómicos, cerámicas inteligentes.