(Redirigido desde la Ciencia de los Materiales )
El campo interdisciplinario de la ciencia de los materiales , también comúnmente denominado ciencia e ingeniería de los materiales, es el diseño y descubrimiento de nuevos materiales, particularmente sólidos . Los orígenes intelectuales de la ciencia de los materiales provienen de la Ilustración , cuando los investigadores comenzaron a utilizar el pensamiento analítico de la química , la física y la ingeniería para comprender las observaciones fenomenológicas antiguas en metalurgia y mineralogía . [1] [2]La ciencia de los materiales todavía incorpora elementos de física, química e ingeniería. Como tal, el campo fue considerado durante mucho tiempo por las instituciones académicas como un subcampo de estos campos relacionados. A partir de la década de 1940, la ciencia de los materiales comenzó a ser más ampliamente reconocida como un campo específico y distinto de la ciencia y la ingeniería, y las principales universidades técnicas de todo el mundo crearon escuelas dedicadas del estudio, ya sea dentro de las escuelas de Ciencias o de Ingeniería, de ahí el nombre.
- La ciencia de los materiales es una disciplina sincrética que hibrida metalurgia, cerámica, física del estado sólido y química. Es el primer ejemplo de una nueva disciplina académica emergente por fusión en lugar de fisión. [3]
Muchos de los problemas científicos más apremiantes que los humanos enfrentan actualmente se deben a los límites de los materiales disponibles y la forma en que se utilizan. Por lo tanto, es probable que los avances en la ciencia de los materiales afecten significativamente el futuro de la tecnología. [4] [5]
Los científicos de materiales enfatizan la comprensión de cómo la historia de un material (su procesamiento ) influye en su estructura y, por lo tanto, en las propiedades y el rendimiento del material. La comprensión de las relaciones estructura-procesamiento-propiedades se denomina paradigma de materiales . Este paradigma se utiliza para avanzar en la comprensión en una variedad de áreas de investigación, incluyendo nanotecnología , biomateriales y metalurgia. La ciencia de los materiales también es una parte importante de la ingeniería forensey el análisis de fallas. - investigar materiales, productos, estructuras o componentes que fallan o no funcionan según lo previsto, causando lesiones personales o daños a la propiedad. Dichas investigaciones son clave para comprender, por ejemplo, las causas de varios accidentes e incidentes de aviación .
Historia [ editar ]
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El material de elección de una época dada es a menudo un punto de definición. Frases como la Edad de Piedra , la Edad de Bronce , la Edad de Hierro y la Edad de Acero son ejemplos históricos, aunque arbitrarios. Originalmente derivado de la fabricación de cerámica y su metalurgia derivativa putativa, la ciencia de los materiales es una de las formas más antiguas de ingeniería y ciencia aplicada. La ciencia moderna de los materiales evolucionó directamente de la metalurgia , que a su vez evolucionó a partir de la minería y (probablemente) la cerámica y, más temprano, del uso del fuego. Un gran avance en la comprensión de los materiales se produjo a finales del siglo XIX, cuando el científico estadounidense Josiah Willard Gibbs demostró queLas propiedades termodinámicas relacionadas con la estructura atómica en varias fasesestán relacionadas con las propiedades físicas de un material. Los elementos importantes de la ciencia moderna de los materiales fueron productos de la carrera espacial : la comprensión y la ingeniería de las aleaciones metálicas , y los materiales de sílice y carbono , utilizados en la construcción de vehículos espaciales que permiten la exploración del espacio. La ciencia de los materiales ha impulsado, y ha sido impulsada por, el desarrollo de tecnologías revolucionarias tales como cauchos , plásticos , semiconductores y biomateriales .
Antes de la década de 1960 (y, en algunos casos, décadas después), muchos departamentos de ciencia de materiales eventuales eran departamentos de ingeniería metalúrgica o cerámica , lo que refleja el énfasis de los metales en el siglo XIX y principios del siglo XX en la cerámica. El crecimiento de la ciencia de los materiales en los Estados Unidos fue catalizado en parte por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada , que financió una serie de laboratorios organizados por la universidad a principios de la década de 1960 "para ampliar el programa nacional de investigación básica y capacitación en ciencias de los materiales". [6] El campo se ha ampliado desde entonces para incluir todas las clases de materiales, incluyendo cerámica , polímeros , semiconductores ,Materiales magnéticos , biomateriales y nanomateriales , generalmente clasificados en tres grupos distintos: cerámica, metales y polímeros. El cambio prominente en la ciencia de los materiales durante las últimas décadas es el uso activo de simulaciones por computadora para encontrar nuevos materiales, predecir propiedades y comprender fenómenos.
Fundamentos [ editar ]
Un material se define como una sustancia (la mayoría de las veces es un sólido, pero se pueden incluir otras fases condensadas) que se pretende utilizar para ciertas aplicaciones. [7] Hay una gran cantidad de materiales a nuestro alrededor: se pueden encontrar en cualquier cosa, desde edificios hasta naves espaciales. Los materiales generalmente se pueden dividir en dos clases: cristalino y no cristalino . Los ejemplos tradicionales de materiales son metales , semiconductores , cerámicas y polímeros . [8] Los materiales nuevos y avanzados que se están desarrollando incluyen nanomateriales , biomateriales , [9] yMateriales energéticos por nombrar algunos.
La base de la ciencia de los materiales consiste en estudiar la estructura de los materiales y relacionarlos con sus propiedades . Una vez que un científico de materiales conoce esta correlación estructura-propiedad, puede continuar estudiando el rendimiento relativo de un material en una aplicación determinada. Los principales determinantes de la estructura de un material y, por lo tanto, de sus propiedades son sus elementos químicos constituyentes y la forma en que se ha procesado en su forma final. Estas características, tomadas en conjunto y relacionadas a través de las leyes de la termodinámica y la cinética , gobiernan la microestructura de un material y, por lo tanto, sus propiedades.
Estructura [ editar ]
Como se mencionó anteriormente, la estructura es uno de los componentes más importantes del campo de la ciencia de los materiales. La ciencia de los materiales examina la estructura de los materiales desde la escala atómica, hasta la macroescala. La caracterización es la forma en que los científicos de los materiales examinan la estructura de un material. Esto involucra métodos como la difracción con rayos X , electrones o neutrones , y varias formas de espectroscopia y análisis químico como la espectroscopia Raman , la espectroscopia de dispersión de energía (EDS), cromatografía , análisis térmico , microscopio electrónico. análisis, etc. La estructura se estudia a varios niveles, como se detalla a continuación.
Estructura atómica [ editar ]
Esto se refiere a los átomos de los materiales, y cómo están dispuestos para dar moléculas, cristales, etc. Gran parte de las propiedades eléctricas, magnéticas y químicas de los materiales surgen de este nivel de estructura. Las escalas de longitud involucradas están en angstroms ( Å ). La forma en que los átomos y las moléculas se unen y se organizan es fundamental para estudiar las propiedades y el comportamiento de cualquier material.
Nanoestructura [ editar ]
La nanoestructura trata con objetos y estructuras que se encuentran en el rango de 1 a 100 nm. [10] En muchos materiales, los átomos o las moléculas se aglomeran para formar objetos en la nanoescala. Esto causa muchas propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas y mecánicas interesantes.
Al describir las nanoestructuras, es necesario diferenciar entre el número de dimensiones en la nanoescala . Las superficies nanotexturadas tienen una dimensión en la nanoescala, es decir, solo el grosor de la superficie de un objeto está entre 0,1 y 100 nm. Los nanotubos tienen dos dimensiones en la nanoescala, es decir, el diámetro del tubo está entre 0.1 y 100 nm; Su longitud podría ser mucho mayor. Finalmente, las nanopartículas esféricas tienen tres dimensiones en la nanoescala, es decir, la partícula está entre 0.1 y 100 nm en cada dimensión espacial. Los términos nanopartículas y partículas ultrafinas.(UFP) a menudo se usan de forma sinónima, aunque la UFP puede llegar al rango de los micrometros. El término 'nanoestructura' se usa a menudo cuando se hace referencia a la tecnología magnética. La estructura a nanoescala en biología a menudo se llama ultraestructura .
Los materiales que los átomos y las moléculas forman constituyentes en la nanoescala (es decir, forman una nanoestructura) se denominan nanomateriales. Los nanomateriales son objeto de una intensa investigación en la comunidad de la ciencia de los materiales debido a las propiedades únicas que exhiben.
Microestructura [ editar ]
La microestructura se define como la estructura de una superficie preparada o una lámina delgada de material, tal como lo revela un microscopio con un aumento de más de 25 aumentos. Se trata de objetos de 100 nm a unos pocos cm. La microestructura de un material (que puede clasificarse ampliamente en metálico, polimérico, cerámico y compuesto) puede influir fuertemente en las propiedades físicas tales como resistencia, tenacidad, ductilidad, dureza, resistencia a la corrosión, comportamiento de alta / baja temperatura, resistencia al desgaste, etc. . La mayoría de los materiales tradicionales (como metales y cerámicas) están microestructurados.
La fabricación de un cristal perfecto de un material es físicamente imposible. Por ejemplo, cualquier material cristalino contendrá defectos tales como precipitados , límites de grano (relación Hall-Petch ), vacantes, átomos intersticiales o átomos sustitutivos. La microestructura de los materiales revela estos defectos más grandes, de modo que se pueden estudiar, con avances significativos en la simulación que resultan en un aumento exponencial de la comprensión de cómo se pueden usar los defectos para mejorar las propiedades del material.
Estructura macro [ editar ]
La estructura macro es la apariencia de un material en la escala de milímetros a metros, es la estructura del material como se ve a simple vista.
Cristalografía [ editar ]
La cristalografía es la ciencia que examina la disposición de los átomos en sólidos cristalinos. La cristalografía es una herramienta útil para los científicos de los materiales. En los cristales individuales, los efectos de la disposición cristalina de los átomos a menudo son fáciles de ver macroscópicamente, porque las formas naturales de los cristales reflejan la estructura atómica. Además, las propiedades físicas a menudo son controladas por defectos cristalinos. La comprensión de las estructuras cristalinas es un requisito previo importante para comprender los defectos cristalográficos. En su mayoría, los materiales no se presentan como un solo cristal, sino en forma policristalina, es decir, como un agregado de pequeños cristales con diferentes orientaciones. Debido a esto, el método de difracción de polvo, que utiliza patrones de difracción de muestras policristalinas con un gran número de cristales, juega un papel importante en la determinación estructural.Los polímeros muestran distintos grados de cristalinidad, y muchos son completamente no cristalinos. El vidrio , algunas cerámicas y muchos materiales naturales son amorfos , no poseen ningún orden de largo alcance en sus disposiciones atómicas. El estudio de los polímeros combina elementos de termodinámica química y estadística para dar descripciones de propiedades físicas, termodinámicas y mecánicas.
Vinculación [ editar ]
Para obtener una comprensión completa de la estructura del material y cómo se relaciona con sus propiedades, el científico de los materiales debe estudiar cómo los diferentes átomos, iones y moléculas están dispuestos y unidos entre sí. Esto implica el estudio y el uso de la química cuántica o la física cuántica . La física del estado sólido , la química del estado sólido y la química física también participan en el estudio de la unión y la estructura.
Propiedades [ editar ]
Los materiales exhiben miles de propiedades, incluyendo las siguientes.
- Propiedades mecánicas, ver Resistencia de materiales.
- Propiedades químicas, ver Química
- Propiedades electricas, ver Electricidad.
- Propiedades térmicas, ver termodinámica.
- Propiedades ópticas, ver Óptica y Fotónica.
- Propiedades magnéticas, ver Magnetismo.
Las propiedades de un material determinan su utilidad y, por lo tanto, su aplicación de ingeniería.
Síntesis y procesamiento [ editar ]
La síntesis y el procesamiento implican la creación de un material con la micro nanoestructura deseada. Desde el punto de vista de la ingeniería, un material no puede utilizarse en la industria si no se ha desarrollado un método de producción económico para él. Por lo tanto, el procesamiento de materiales es vital para el campo de la ciencia de los materiales.
Diferentes materiales requieren diferentes métodos de procesamiento o síntesis. Por ejemplo, el procesamiento de metales ha sido históricamente muy importante y se estudia en la rama de la ciencia de los materiales llamada metalurgia física . Además, los métodos químicos y físicos también se utilizan para sintetizar otros materiales como polímeros , cerámicas , películas delgadas , etc. A partir de principios del siglo XXI, se están desarrollando nuevos métodos para sintetizar nanomateriales como el grafeno .
Termodinámica [ editar ]
La termodinámica se ocupa del calor y la temperatura y su relación con la energía y el trabajo . Define variables macroscópicas , como energía interna , entropía y presión., que en parte describen un cuerpo de materia o radiación. Afirma que el comportamiento de esas variables está sujeto a restricciones generales comunes a todos los materiales. Estas restricciones generales se expresan en las cuatro leyes de la termodinámica. La termodinámica describe el comportamiento global del cuerpo, no los comportamientos microscópicos de los números muy grandes de sus constituyentes microscópicos, como las moléculas. El comportamiento de estas partículas microscópicas es descrito por, y las leyes de la termodinámica se derivan de la mecánica estadística .
El estudio de la termodinámica es fundamental para la ciencia de los materiales. Constituye la base para tratar los fenómenos generales en la ciencia e ingeniería de materiales, incluidas las reacciones químicas, el magnetismo, la polarizabilidad y la elasticidad. También ayuda en la comprensión de los diagramas de fase y el equilibrio de fase.
Cinética [ editar ]
La cinética química es el estudio de las tasas a las que los sistemas que están fuera de equilibrio cambian bajo la influencia de varias fuerzas. Cuando se aplica a la ciencia de los materiales, trata de cómo un material cambia con el tiempo (se mueve del estado de no equilibrio al estado de equilibrio) debido a la aplicación de un campo determinado. Detalla la velocidad de varios procesos que evolucionan en materiales, incluyendo forma, tamaño, composición y estructura. La difusión es importante en el estudio de la cinética ya que este es el mecanismo más común por el cual los materiales experimentan cambios.
La cinética es esencial en el procesamiento de materiales porque, entre otras cosas, detalla cómo cambia la microestructura con la aplicación de calor.
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