Nous Materials

i

Noves Tecnologies

Al llarg del s. XX, el desenvolupament econòmic va portar noves necessitats. La societat de consum fa que avui en dia ningú pugui prescindir de molts aparells electrònics per a la comunicació, el transport o diverses tasques domèstiques.Noves ulleres google

El confort, la crisi del petroli i la disminució dels recursos del planeta han afavorit la investigació per aconseguir nous productes:

● envasos biodegradables● pantalles planes i extraplanes● motors que consumeixen menys● materials biocompatibles per a implants● circuits cada cop més petits i més complexos● teixits que no es mullen ni es taquen● telèfons mòbils amb infinites aplicacions● materials més resistents i lleugers, etc.

D’aquí la importància de trobar nous materials que puguin reemplaçar els actuals, amb millors propietats i que requereixin processos menys contaminants per a la seva transformació i que a més siguin recicables.

1. RESPOSTES A NOVES NECESSITATS

TECNOLOGIA AERONÀUTICA i AEROESPACIAL

El progrés de l’aviació comercial, la militar i

els vols espacials són un repte permanent per

a científics i enginyers.

Materials ceràmics molt resistents al calor (ceràmiques avançades)

Materials compostos (compòsits) resistents i lleugers

a temperatures elevades

Materials resistents a la corrosió

Les aeronaus fabricades amb materials compostos poden reduir notablement el pes de la nau de manera que es pot reduir el consum de combustible i allargar els trajectes de les aeronaus.

MEDICINA

Cargols que subjectin ossos trencats i que no s’oxidin o es descomponguin

Pròtesis

Implants

Substituts de vasos sanguinis que es deterioren o

s’obstrueixen (polímer derivat del tefló)

Substitució del cristal·lí opac de l’ull (cataractes)

amb una lent d’un material derivat del metacrilat

CONSTRUCCIÓ

Materials molt resistents (terratrèmols)

Aïllants tèrmics i acústics

Eficiència energètica dels edificis

Compòsits per reforçar el formigó

Ceràmiques per fabricar sanitaris que no es mullen

Evitar la corrosió en exteriors

2. ELS MATERIALSEls materials són les substàncies que componen els objectes que ens envolten

Cada material té unes propietats físiques, quími-ques i mecàniques que el fan més adequat per a un ús determinat.

La manipulació dels materials és un procés molt complex que implica comprendre les seves propietats.

PROPIETATS

MECÀNIQUES

ELECTROMAGNÈTIQUES

TÈRMIQUES

ÒPTIQUES

QUÍMIQUES

ACÚSTIQUES

Aquestes propietats es poden classificar en:

PROPIETATS MECÀNIQUES

DENSITAT: És la relació entre la massa i el volum d'un cos. La fusta es fa sevir per construir vaixells perquè la seva densitat és més baixa que la de l'aigua.

DURESA: El diamant és el material més dur que es coneix. S’utilitza en màquines abrassives, perforadores i de tall.

TENACITAT: L’acer és molt tenaç, suporta cops sense trencar-se. S’utilitza en eines.

DUCTILITAT: Els metalls són molt dúctils i es poden produir fils molt fins.

FRAGILITAT : Es poc resistent als cops con el vidre, per això es fabriquen anb incrustacions d'altres materials.

MAL·LEABILITAT: L’alumini com molts altres metalls

és força mal·leable, se’n poden fer làmines molt fines.

ELASTICITAT: La fibra de carboni és molt flexible:

permet construir objectes capaços d’aguantar

forces grans sense trencar-se.

PLASTICITAT: El material que forma la plastilina

es pot modelar fàcilment sense que es trenqui

RESISTÈNCIA:a la compressió, a la tracció,

a la torsió i a la flexió

PROPIETATS ELECTROMAGNÈTIQUESPROPIETATS ELÈCTRIQUES:

El coure s'utilitza en els fils conductors perquè condueix molt bél’electricitat i dissipa poca energia.

La plata és molt més bona conductora però és bastant més cara.

PROPIETATS MAGNÈTIQUES:

L’agulla de les bruixoles és magnètica se sent atreta per un imant (Terra).

PROPIETATS TÈRMIQUES

TEMPERATURA DE FUSIÓ:

El wolframi o tungstè

s’utilitzava en el filament

de les bombetes per

la seva elevada

temperatura de fusió.

CAPACITAT DE DILATACIÓ:

En molts termòstats s’empren dues làmines de metalls que es dilaten de manera diferent quan s’es-calfen.

CONDUCTIVITAT TÈRMICA: la baquelita condueix molt malament el calor, és un bon aïllant tèrmic, per això s’utilitza en els mànecs dels estris de cuina.

CALOR ESPECÍFIC: Els plats de terrissa,gràcies a la

seva calor específica elevada, conserven elmenjar calent

durant més temps.

PROPIETATS ÒPTIQUESPROPIETATS ÒPTIQUES

ÒPTIQUES COLOR

TRANSPARÈNCIA

REFLEXIBILITAT

ÍNDEX DEREFRACCIÓ

BRILLANTOR

FLUORESCÈNCIA

POLARITZACIÓDE LA LLUM

.

L

Els COLORS vermell i groc s'empren en els senyals de trànsit per què destaquen davant la natura.

La FIBRA DE VIDRE: és molt transparent, la llum pot viatjar a través d’aquest material molts km sense atenuar-se. S’utilitza en comunicacions.

El PLÀSTIC utilitzat en senyals viaris o en armilles de seguretat reflecteix molt bé la llum.

En persones amb moltes diòptries s'utilitzen vidres amb ÍNDEXS DE REFRACCIÓ més alt per no augmentar massa la gruixària.

Els brillants són diamants tallats expressament per augmentar la BRILLANTOR

Les parets de les LÀMPADES FLUORESCENTS reemeten la llum quan incideix la llum ultraviolada.

Els CRISTALLS LÍQUIDS deixen passar o no una part de la llum segons si estan sotmesos o no a un corrent elèctric. Així es formen els caràcters llegibles a les pantalles de calculadores.

PROPIETATS QUÍMIQUES

PROPIETATS ACÚSTIQUES

RESISTÈNCIA A LA CORROSIÓ:Alguns tipus d'acers (inoxidable, galvanitzat) resisteixen molt temps sense que la corrosió els afecti.

CONDUCTIVITAT DEL SO:El porexpan es pot fer servir per aïllar envans, sostres o terres .

3. ELS NOUS MATERIALS3.1 Metalls

L'estructura interna dels metalls és un xarxa d'ions positius voltada d'electrons lliures que poden cedir o compartir.

Aquesta estructura els dóna les següents propietats:

Densitat alta

Sòlids

Punt alt de fusió

Reflecteixen la llum (brillen)

Conductors de la calor i l'electricitat

Durs, dúctils i mal·leables

Alguns magnètics: ferro, níquel...

Permeten fer aliatges (barreja de diferents components metàl·lics). Bronze = Coure + estany (fa el coure més resistent i dur)

Els nous materials metàl·lics

Els aliatges amb memòria de forma:

Després de deformats són capaços de

recordar la forma original quan s'escalfen.

Nitinol= Niquel i titani, s'empra per inserir cànules en artèries obstruïdes, l'escalfor del cos li dóna la seva forma original i obre l'artèria pel pas de la sang.

També es fa sevir per facilitar l'acoblament de canonades industrials.

3.2. Ceràmiques avançades

Les ceràmiques estan compostes de silicats. S'elaboren a partir de pols (argila) barrejada amb aigua i sotmesa a altes temperatures en forns.

Alguns exemples són: terrisses, porcellanes, vidres, rajoles, totxanes...

Les propietats característiques són: refractaris, baixa conductivitat tèrmica i elèctrica, dures, resistents a la corrosió, però FRÀGILS.

Els nous materials ceràmics:Actualment les ceràmiques avançades es fabriquen amb òxids d'alumini, zirconi..

carburs, nitrats i borats. Aquestes innovacions els permeten ser menys fràgils sense perdre la resta de propietats.

Les noves aplicacions són:

Ceràmiques superdures per recobriment de transborda-dors espacials, components de motors,

Dents i ossos artificials.

Fibres òptica capaç de transmetre impulsos lluminosos a molta velocitat per la seva gran transparència.

Sensors ceràmics, com vidres que canvien de color amb la calor, o detecten la pressió mecànica.

Membranes ceràmiques hiperfiltra-dores per filtrar l'hidrogen en les piles d'hidrogen.

3.3 PolímersUn polímer és una molècula molt gran. Pot ser d'origen natural com el cautxú o la goma o sintètica com el PVC, poliestirè...Les seves característiques és que són molt resistents, elàstics i tenen baixa conductivitat elèctrica i tèrmica.

PET/PETE: Tereftalat de polietilè

Cost baix. Excel·lents propietats mecàniques. Barrera davant els gasos.

PEAD. Polietilè d'alta densitat

Molt resistent. Molt lleuger

PVC. Policlorur de vinil

Resistent, lleuger, Versàtil. Inert

PEBD .Polietilè de baixa densitat

Cost baix. Flexible, Lleuger. Impermeable.

PP Polipropilè

Lleuger. Resistent. Resisteix altes temperatures.

PS Poliestirè

Cost baix Baixa densitat (suro blanc). Aïllant tèrmic i elèctric.

Altres

Els plàstics conductors

Shirakawa va descobrir als anys setanta els primer plàstic conductor d'electrici-tat.

Per fer-ho es va dopar el poliacetilè de manera que tingués electrons lliures en moviment. La seva conduc-tivitat és semblant al coure.

Es fabriquen bateries amb elèctrodes de plàstic conductor, bateries de plàstic, làmines de plàstic lluminoses per pantalles extraplanes de televisió, rètols informatius ...

3.4.CompòsitsFormats pe r dos o més constituents de diferent forma i composició químic i insolubles entre sí: matriu (material aglutinant) i reforç (fibres o partícules)

COMPÒSIT

MATRIU REFORÇ

Metàl·lica

Polimèrica

Ceràmica

Partícules

Fibres

Estructural

Els materials resultants tenen les propietats de cadascun dels components per separat, es pot crear materials amb propietats “a la carta”.

Kevlar

S'utilitza per les armilles antibales, guants, altaveus...

plàstic amb fibre de vidre.

S'utilitza per les armilles antibales, guants, altaveus...

És un material compost format per una matriu (resina epoxi) reforçada amb fibres de carboni.

Cada fibra està feta de filaments de carboni de 5 i 8 μm de diàmetre.

Es combina la duresa i elasticitat de la resina amb l'alta resistència, i lleugeresa del trenat de fibres de carboni.

Segons la disposició i entrecreuament de les fibres augmenta la seva resistència en certes direccions.

La matriu polimèrica fa que sigui bon aïllant tèrmic i tingui propietats ignífugues. Tampoc es corroeix.

LA FIBRA DE CARBONI

S'utilitza en la fabricació de carrosseries d'avions, cotxes, motos. Reduint la despesa en combustible.

Aerogeneradors, material esportiu d'elit,...

En la construcció per substituir el formigó o l'acer.

L'inconvenient és un alt cost de fabricació.

ALTRES COMPÒSITSFormigó= ciment+ sorra+gra-va+armadura

metàl·lica.

Resistència a la tracció per a la construcció

Aglomerat: resina adhesiva+ fragments fusta. Per mobles.

Polímers reforçats amb fibres de vidre. Pals tenda campanya, piscines, banyeres.

3.5. Semiconductors i Superconductors

SemiconductorsSón materials amb els quals es pot modular el pas de

la llum canviant factors com la temperatura, la tensió... Es troben entre els aïllants a temperatures baixes i conductors a temperatura ambient.

Fets sobre tot de silici, però també de germani, arseniur de gal·li.

Per exemple els LEDS, que emeten llum quan se'ls connecta el corrent en una direcció i no en direcció contrària.

Són petits, barats, baix consum,reemplaçables, duradors...

Cel·les fotovoltaíques dels panells solars que converteixen la llum en electricitat

Estructura atòmica semiconductors

SuperconductorsHi ha alguns materials que no posen cap

resistència al corrent elèctric i no hi ha pèrdues d'Energia, a més responen a camps magnètics molt dèbils. Són el mercuri per sota de 4K de temperatura, aleacions de nioibi i titani, ceràmiques d'itri, bari i coure.

Aplicacions: tren de levitació magnètica

Funcionament tren de levitacióTrens Maglev

Levitació magnètica

El làser (Light Amplification by Stimulates Emision of Radiation) és un raig de llum prim d'energia molt alta.Es crea quan s'aplica una decàrrega elèctrica amb un tub amb gas. La descàrrega provoca que els electros del gas emetin fotons, que al xocar amb d'altres electrosn desprenen més fotons. La quantitat enorme de fotosn creats forma un raig de llum d'elevada energia.És unt un raig de llum coherent i d'una sola direcció i color.Aquestes propietats el diferencien d'altres fonts de llumhabituals, que emeten sempre llum incoherent o de molt baixa coherència.

http://www.tv3.cat/videos/1131969

“Làser: adéu a la miopia

4. Les noves tecnologies4.1 La tecnologia làser

Aplicacions del làser:Lectura i gravació en suports òptics digitals (CD, DVD, Làser Disc, etc.)Lectura de codis (de barres, matricials, etc.)Mesura de distàncies (telemetria)Mesura de velocitatsMedicina (cirurgia, oftalmologia, dermatologia)Tractament de materials (tall, soldadura, etc.)Impressió: plaques òfset, etc.Telecomunicacions per fibra òpticaCaracterització de materialsFusió nuclearHolografia i Espectacles «so i llum»Transmissió entre satèl·litsRefredament de plasmes

4.2 LA NANOTECNOLOGIA

Notícies TN 40:32

Què és la nanociència? L’estudi dels objectes i fenòmens a molt petita escala (1-100 nm)

El desenvolupament científic i tecnològic ha trobat el seu punt culminant en la possibilitat de manipular objectes a nanoescala, és a dir, manipular àtoms i molècules per crear materials amb propietats concretes.

Què és la nanotecnologia? L’estudi, el disseny, la creació, la síntesi, la manipulació i l’aplicació de materials, aparells i sistemes funcionals a través del control de la matèria a nanoescala i l’explotació de fenòmens i propietats de la matèria a nanoescala.

Exposició Cosmocaixa

Nanoescala: Com és de gran 1 nanòmetre? 1 nm = 10-9 m = 0,000000001 m

= la milionèssima part d’un metre (Full de paper = uns 100 000

Nanotecnologia: el món més petit

Per més informació cercar la presentació: Descobreix el món de la tecnologia

Vídeos interessants: Dexcobreix la nanotecnologia Materials hidròfobs