Materials: De la Taula Periòdica a la Nanotecnologia

La Taula Periòdica i l'Origen dels Elements

Dmitri Mendeléiev va publicar el 1869 la seva famosa taula. Va ordenar els elements coneguts, va deixar buits per a nous elements encara no descoberts i va predir-ne les propietats.

On s'han format els elements de la taula periòdica?

• En els primers instants de vida de l'univers.
• En l'interior de les estrelles.
• En les explosions de supernoves.
• En el laboratori.

Tipus de Materials i les seves Propietats

Segons l'origen dels materials, són:

• Naturals: obtinguts de la naturalesa (fusta, granit).
• Transformats: que s'obtenen transformant materials naturals (paper, cautxú vulcanitzat, ciment, acer).
• Artificials o sintètics: s'obtenen com a productes de processos químics o físics (plàstics, fibres artificials).
• Reciclats: obtinguts a partir d'objectes del mateix material (paper, vidre).

Les propietats dels materials

• Densitat: La fusta s'ha usat per a construir vaixells perquè la seva densitat és menor que la de l'aigua.
• Duresa: El diamant és el material més dur conegut. Per això s'utilitza en màquines abrasives o perforadores.
• Tenacitat: L'acer és molt tenaç: això vol dir que suporta cops sense que es trenqui. Per això s'utilitza en moltes eines.
• Ductilitat: Els metalls són, en general, molt dúctils; per això s'hi poden elaborar fils molt fins.
• Temperatura de fusió: El tungstè s'usa en les bombetes perquè té una temperatura de fusió molt elevada.
• Mal·leabilitat: L'alumini, com molts altres metalls, és molt mal·leable: s'hi poden elaborar làmines molt fines.
• Fragilitat: Alguns vidres es fabriquen amb incrustacions d'altres materials per a reduir-ne la fragilitat.
• Conductivitat tèrmica: La baquelita condueix molt malament la calor: és un bon aïllant tèrmic. Per això s'usa en mànecs d'estris de cuina.
• Conductivitat elèctrica: El coure s'empra en els fils conductors perquè condueix molt bé l'electricitat i dissipa (perd) poca energia. La plata és millor conductor, però és bastant més cara, i per això s'usa molt menys.
• Comportament magnètic: L'agulla de moltes brúixoles és magnètica: se sent atreta per un imant.
• Color: Els senyals de perill de circulació tenen una vora vermella que els destaca i els diferencia dels colors més habituals de la naturalesa, com el verd o el blau.
• Transparència: La fibra de vidre és molt transparent: la llum pot viatjar a través d'aquesta molts quilòmetres sense que s'atenuï. Per això s'usa en comunicacions o endoscopis.
• Reflectivitat: El plàstic emprat en els senyals de circulació o les armilles de seguretat reflecteix molt bé la llum.
• Índex de refracció: Cada material refracta la llum d'una manera. En persones amb més diòptries, per a no augmentar massa el gruix de les lents, s'han d'utilitzar vidres amb índexs de refracció més elevats.
• Capacitat de dilatació: En molts termòstats s'usen dues làmines de metalls que es dilaten de manera diferent quan s'escalfen.
• Elasticitat: La fibra de carboni és molt flexible: permet construir objectes capaços d'aguantar forces grans sense que es trenquin.
• Calor específica: Els plats de fang, a causa de la seva elevada calor específica, conserven el menjar calent durant més temps.
• Plasticitat: El material que forma la plastilina es pot modelar fàcilment sense que es trenqui.
• Resistència a la corrosió: Alguns tipus d'acer (acers inoxidables) resisteixen molt de temps sense que la corrosió els afecti.
• Brillantor: Els brillants són diamants especialment tallats perquè la seva brillantor sigui màxima.
• Conductivitat del so: En envans, sostres i sòls s'utilitzen materials aïllants del so, com el porexpan.
• Fluorescència: Les parets dels llums fluorescents reemeten llum quan hi incideix llum ultraviolada.
• Capacitat de polarització de la llum: Els cristalls líquids deixen passar o no una part de la llum segons si estan o no sotmesos a la presència d'un corrent elèctric. Això permet, per exemple, formar caràcters llegibles en les pantalles de les calculadores.

Extracció i Reciclatge de Metalls

Matèries primeres

Materials extrets de la naturalesa per a fabricar productes.

Els metalls no es troben en estat pur en la naturalesa

Una gran part de la matèria primera que usem en la vida quotidiana prové de plantes o d'animals. La majoria dels metalls s'obtenen en la naturalesa dels minerals.

Un mineral és una substància sòlida que es forma en l'escorça terrestre, i està compost sempre d'un metall i un no metall.

Els minerals són un recurs limitat, no renovable. Una vegada que s'ha extret el metall, el mineral generalment no té més utilitat. Els recursos són limitats, s'obtenen reciclant i refinant objectes que contenen aquests metalls.

Extracció de materials

Els metalls s'obtenen a partir de dos processos industrials: la calor o l'electricitat. En ambdós processos es duu a terme una reacció química, denominada reducció, en la qual s'obté el metall pur i se separa del compost.

DESCOBRIMENT CLAU: Cuner amb fosa

L'afinament consisteix a reduir el contingut de carboni de la fosa.

Electròlisi

És un procés de descomposició de compostos químics a través de l'electricitat. També és una reacció de reducció i és el procés més comú d'extracció de metalls.

Materials Estratègics: Coltan, Niobi i Tàntal

• Coltan: Són dos minerals, la columbita i la tantalita, relacionats amb la indústria electrònica.
• Niobi: S'usa en la fabricació d'imants d'un gran poder magnètic i és la clau del desenvolupament de micromotors com els que utilitzen els discos durs, i d'altaveus i auriculars.
• Tàntal: S'usa en la fabricació de condensadors i està present en totes les bateries que utilitzen els telèfons mòbils o qualsevol altre tipus d'aparell amb bateries recarregables. El seu valor és molt alt.

Un material és artificial quan la matèria primera amb què es fabrica prové d'altres substàncies o materials que, al seu torn, han tingut un procés d'elaboració a partir d'altres substàncies o materials.

La plasticitat és una propietat dels materials que permet donar-los fàcilment la forma que més convingui.

Polímers i Fabricació de Paper

Com es classifiquen els polímers?

• Polietilè tereftalat (PET/PETE)
• Polietilè d'alta densitat (PEAD/HDPE)
• Policlorur de vinil (PVC)
• Polietilè de baixa densitat (PEBD/LDPE)
• Polipropilè (PP)
• Poliestirè (PS)

Fabricació de paper

La clau de la fabricació del paper està en l'obtenció de la cel·lulosa.

Problemes associats a la fabricació de paper

• La desforestació: provocada per la tala indiscriminada d'arbres.
• La gran quantitat d'aigua: que es necessita per a la fase de separació de la cel·lulosa de la lignina.
• La contaminació de rius: a causa de l'ús de compostos de sofre, de clor o ozó en els processos de blanquejat de la polpa de cel·lulosa.
• L'energia: emprada per a moure les màquines, escalfar l'aigua.

Solucions als problemes

• Desforestació: s'aborda mitjançant el control de la cadena de custòdia (la fusta s'extreu de boscos l'explotació dels quals està controlada), la utilització de matèries primeres diferents dels arbres, com el cànem, el lli o el cotó, i la reutilització de les fibres del paper usada.
• Consum d'aigua: Es poden usar cicles tancats d'aigua, amb depuradores que extreuen els productes químics de l'aigua utilitzada, i que retornen l'aigua tractada al procés industrial dins de la fàbrica.
• Consum d'energia: S'utilitza menys energia si es recicla el paper.

Nanotecnologia: Materials del Futur

Els nous materials permeten fabricar d'una altra manera els productes que ja tenim, però amb una nova producció, més respectuosos amb el medi ambient i, sobretot, molt més pràctics.

Nanociència

La nanotecnologia es basa en el desenvolupament científic dels materials. L'estudi de tots els aspectes científics des del punt de vista nanomètric es coneix com a nanociència.

Microscopi d'efecte túnel

No ofereix una imatge directa de l'objecte, sinó que es basa en el principi que l'estructura d'una superfície pot ser estudiada amb una agulla que recorre la superfície a una distància fixa sobre aquesta.

El món del carboni

L'element més important de la nostra existència. Quan diversos àtoms de carboni s'uneixen es formen xarxes cristal·lines.

DESCOBRIMENT CLAU: Com es fabrica la fibra de carboni?

La fibra de carboni és un fil llarg i molt prim compost de carboni. Diverses fibres de carboni enrotllades s'entrellacen per a formar un teixit, com es fa amb les teles. Després, aquesta tela es combina amb resines que fan de pegament i és modelada per tal d'obtenir la forma desitjada.

El ful·lerè és una molècula formada per 60 àtoms de carboni. La seva estructura és molt particular, amb forma de pilota de futbol. Es pot fer que adquireixi la forma d'un tub, un nanotub. Si el nanotub té, a més de carboni, altres elements, es convertirà en un conductor. En aquest cas parlaríem de nanocables o, en un semiconductor, de nanointerruptors.

El futur: La nanotecnologia

La nanotecnologia és una ciència aplicada dirigida al disseny, la fabricació i l'aplicació de materials i aparells a escala nanomètrica.

Permet fabricar màquines capaces de dipositar àtoms d'un element particular just en el lloc adequat perquè, juntament amb d'altres, formin una màquina d'una grandària macroscòpica. Podem dissenyar nous materials.

La nanotecnologia: una ciència multidisciplinària

Abasta totes les disciplines científiques imaginables i les que encara no s'han creat.

La nanotecnologia al nostre voltant

• Bateria flexible de nanotubs de carboni.
• LED
• Nanoxips
• Aplicacions en medicina i farmàcia.