Ciencia de los Materiales – Wenceslao González Viñas, Héctor L. Mancini – 1ra Edición

Desde un punto de vista funcional, entendemos por material a todo aquello que el ser humano necesita para construir cosas. Esta definición incluye fundamentalmente a los sólidos, pero también a líquidos (como por ejemplo los cristales líquidos, que se usan para hacer pantallas LCD), y aún a gases, utilizables en situaciones más específicas. En realidad, cualquier materia prima utilizada por una industria podría ser incluida dentro de esta clasificación, pero usaremos la palabra material en sentido restringido pensando en aquellos materiales cuyas propiedades no sean un estricto reflejo de las que poseen los elementos que lo componen. Consideraremos entonces, en particular, aquellos materiales en los cuales la manera de estructurarse sus elementos en cuerpos macroscópicos, los tratamientos que pueden utilizarse durante su elaboración o la agregación fisicoquímica de distintos elementos, sean condicionantes de las propiedades que luego se obtienen.

La selección, modificación y elaboración de materiales para satisfacer necesidades se confunde con los fundamentos de la cultura humana. Desde los comienzos de la prehistoria se conocen intentos por parte del ser humano de manipular y utilizar para su provecho diversos elementos que encuentra en la naturaleza. Simultáneamente y para lograr una mejor utilización de los mismos, el Hombre ha intentado conocer y controlar su composición logrando en muchos casos modificar su comportamiento y propiedades y predecir los efectos que sobre los materiales producen diversas manipulaciones. Esta tarea avanzó con la historia primero de manera artesanal, fundamentándose en conocimientos empíricos o especulativos. La historia de la ciencia/ingeniería de materiales comienza ya en la edad de piedra cuando se usaban piedras, madera, arcilla, cuero, etc.

En la edad de bronce el Hombre descubre la importancia del parámetro temperatura y lo usa para modificar las propiedades de los materiales mediante tratamientos térmicos o mediante la adición de otras sustancias. Sin embargo y a pesar de los continuos avances tecnológicos, el uso de los materiales se mantuvo como ciencia empírica hasta finales del siglo XIX. La ciencia de materiales como se entiende actualmente, nace con la aparición de la tabla periódica de Mendeléev. Desde entonces, algunas propiedades de los elementos que se vieron relacionadas con su posición en la tabla periódica, comienzan a explicarse científicamente y sus resultados a estructurarse dentro de los capítulos de la ciencia. Desde finales del siglo XIX la introducción de la química y la física, los elementos del cálculo y la experimentación modernas, llevan a la utilización y aprovechamiento de los materiales a un estado de madurez. En los últimos años y gracias a conocimientos más sólidos sobre la estructura de la materia, se piensa en la posibilidad de diseñar nuevos materiales átomo por átomo para lograr propiedades deseadas.

Materiales que no sólo satisfagan necesidades conocidas sino que permitan crear nuevas posibilidades inimaginables hasta hace poco. Los nuevos materiales que han aparecido gracias al desarrollo de esta ciencia, permiten especular incluso sobre soluciones novedosas a problemas socioeconómicos graves como son evitar la escasez de recursos naturales o intentar la posibilidad de un desarrollo económico sostenido de largo alcance mediante la introducción de materiales alternativos. Por la otra parte, la solución de problemas hasta ahora desconocidos, mejora a su vez los conocimientos teóricos y potencia las posibilidades de la ciencia e ingeniería de los materiales. Considerada en este contexto, la ciencia de los materiales estudia la relación entre la estructura y constituyentes de los materiales y sus propiedades así como la influencia de algunos de sus procedimientos de elaboración. La ingeniería de materiales estudia el proceso de elaboración, selección y aplicación de materiales de acuerdo con las propiedades conocidas y deseadas. Agrega, además, el análisis técnicoestructural y consideraciones energéticas, económicas, ecológicas, de envejecimiento, etcétera.

Tanto para la ciencia como para la ingeniería de los materiales, el concepto de propiedad fisicoquímica como respuesta a un estímulo es sumamente importante. Las propiedades fisicoquímicas se pueden clasificar según el estímulo en los siguientes grupos: mecánicas, térmicas, electromagnéticas (en todo el espectro), químicas, y propiedades de dispersión. De esta manera las propiedades mecánicas como la deformación y la rotura, entre otras, responden a fuerzas mecánicas aplicadas.

Las propiedades térmicas como la conductividad térmica y la capacidad calorífica responden a flujos de calor, o a cambios de temperatura. Las propiedades eléctricas como la constante dieléctrica, la conductividad, etc. responden a campos electromagnéticos y las propiedades magnéticas, como los distintos tipos de magnetismo, también. Asimismo, propiedades ópticas como el índice de refracción o la absorción, entre otras, son la respuesta a campos electromagnéticos de muy altas frecuencias.

Las propiedades químicas como la afinidad química son la respuesta a la presencia de reactivos en determinadas condiciones ambientales y las propiedades de dispersión de partículas son la respuesta al impacto en función de la estructura del material. El considerar las propiedades como la respuesta a un estímulo determinado, permite agrupar a los materiales en familias que facilitan un análisis común sobre el origen de las mismas. Por ejemplo: se pueden clasificar los materiales según las propiedades eléctricas y, en este sentido, se agrupan los materiales en buenos conductores de la electricidad, malos conductores de la electricidad, etc.

Esto da lugar a una taxonomía que permite observar rasgos comunes entre materiales de una familia ayudando tanto al entendimiento del origen de las propiedades en los materiales como a la predicción de propiedades en nuevos materiales. En el proceso selectivo de la ingeniería de materiales, la elección de un material viene impuesta directamente por las propiedades requeridas y el presupuesto disponible.

Las propiedades requeridas las impondrán: el uso que queramos hacer del material, las condiciones ambientales y la degradación. En la selección debe tenerse en cuenta que tanto el uso del material como las condiciones ambientales, provocarán necesariamente la degradación del mismo. La degradación del material determinará las propiedades requeridas si se trata de un ambiente natural. Cuando las condiciones ambientales sean controlables, la selección del material estará definida por el uso que se le pretende dar y un presupuesto razonable.

Es decir, la economía juega un papel muy importante en la ingeniería de los materiales. La Ciencia de los Materiales por su parte, intenta analizar mediante los procedimientos normales de la ciencia contemporánea y sin consideraciones económicas, cómo afectan a las propiedades de un material la estructura, presencia de impurezas y defectos, los procesos de elaboración y purificación o de transformación mecánica.

También es competencia de la Ciencia de los Materiales proceder a la inversa: definido un conjunto de propiedades deseables, establecer qué tipo de material de diseño puede cumplirlas, aunque éste no exista en la naturaleza. Son ejemplos notorios de este segundo caso los aceros inoxidables, la pulvimetalurgia, los materiales cerámicos con coeficiente de dilatación controlado (que incluso puede llegar a ser cero), plásticos conductores o con muy alta resistencia a la fricción (como los utilizados en algunos radomos de aviones) o vidrios con coeficiente de transmisión luminosa saturable.

El desarrollo incesante de nuevos materiales ha generado además un sector industrial innovador basado en la microelectrónica y/o el láser (fotónica) que trae consigo transformaciones muy profundas en la relación del hombre con el ambiente que lo rodea. Basta pensar en la profusión de electrodomésticos controlados electrónicamente, en la industria de ordenadores o en la sustitución del cobre por fibras ópticas en los conductores telefónicos, o en las comunicaciones vía satélite, para darse cuenta del impacto socioeconómico que implica. Países enteros deben modificar su estructura industrial para sobrevivir a las modificaciones que produce la nueva tecnología de materiales.