UN CURSO INTRODUCTORIO – EL PAPEL DE LOS MATERIALES A TRAVÉS DE LA HISTORIA DE LA CIVILIZACIÓN HUMANA ABSTRACTO La razón de ser para insertar un curso sencillo y complementario sobre la historia de los materiales y su papel en la historia y el desarrollo de la civilización humana al comienzo de la era material. Se presenta y explica el plan de estudios de ciencias. Se muestra un resumen de cómo se podría hacer esto. con ejemplos de la Prehistoria, la Edad de los metales y Edades históricas posteriores. Las sugerencias son en cada sección sobre cómo la narración puede ofrecer al profesor pistas sobre las conexiones con Desarrollos e interpretaciones contemporáneas. Para algunos tipos de materiales, una lista esquemática de También se dan las principales etapas de desarrollo en los tiempos posteriores. INTRODUCCIÓN Suponemos que un plan de estudios típico incluye Física (clásica, cuántica, física estadística), química (inorgánica, orgánica, electroquímica), Matemáticas, Herramientas computacionales, etc. Los jóvenes el pregrado se ve así sometido a la necesidad de adquirir una cantidad de conocimientos básicos antes de abordar los problemas reales de Ciencias de los Materiales (MS). Como consecuencia, él/ella no tiene la posibilidad de apreciar la verdadera naturaleza de la EM y sus papel en el desarrollo del pasado y futuro de nuestra sociedad. Este "duro", o enfoque tecnológico, de lo tradicional currículum podría desviar a los menos decididos estudiante del propósito original de tomar un Buen curso en MS. Para evitar ambos este riesgo y captar el interés de nuestros estudiantes desde el principio, es aconsejable desarrollar una línea complementaria en una buena y adecuada tradición plan de estudios. Esto se puede lograr mediante presentando un curso simple y atractivo sobre la historia de los materiales y su papel en el desarrollo de la civilización humana. Los materiales han jugado un papel clave en la evolución de la humanidad. De hecho, prehistórico y las primeras edades históricas fueron identificadas por Thomsen en 1836 según los materiales. utilizados en la elaboración: Piedra, Bronce y Edades del Hierro. A continuación, esbozaremos cómo podría introducirse este enfoque suave. Junto con la descripción de los usos de materiales, una visión general de sus principales propiedades físicas y del papel que aún desempeñan Se propone el juego en nuestra sociedad. Sugerencias a los profesores sobre cómo conectar la historia contexto con la realidad científica explicaciones o los acontecimientos recientes es escrito en cursiva e incluido en un documento separado. nota en la página correspondiente. Los resultados de este enfoque deberían ser un estímulo a los estudiantes para que aprecien la importancia de los materiales y de la EM y tecnología, y debe fomentar el interés por adquirir un conocimiento más profundo y sólido del sujeto. Los temas cubiertos en este artículo no son de ninguna manera significa exhaustivo. Se pueden elegir diferentes opciones realizados, de acuerdo con los principales intereses de la Todo el plan de estudios: más énfasis en los metales. y aleaciones, semiconductores o polímeros y plásticos, o compuestos, etc. En cuanto a las horas de crédito, la elección depende de el equilibrio con lo tradicional cursos disciplinarios. Es evidente que hay No hay espacio para un curso exhaustivo sobre historia de los materiales durante la antigüedad y la edades presentes. Así, la referencia a los recientes Los acontecimientos se han condensado en una lista. de fechas y eventos. En cuanto a los métodos de impartición, la lección podría enriquecerse mostrando muchas imágenes, esquemas, diagramas y posiblemente también animaciones y simulaciones. No hay laboratorios necesario; es recomendable incorporar un visita guiada a museos locales de Arqueología y de la Ciencia y Tecnología. Para ayudar a los estudiantes y profesores a seguir esto. enfoque, en los años 90 hicimos dos cursos exhaustivos sobre MS en CD ROM soporte con cientos de multimedia contenidos y herramientas. Incluimos un importante sección dedicada a la historia de la Ciencia y Tecnología de la EM, destacando la conexión con diferentes disciplinas, como Arte, costumbres y tradiciones. FONDO La historia del descubrimiento y la La invención de materiales es ampliamente tratada en la literatura actual. Sin embargo, no es generalmente incluidos en planes de estudio específicos de estudios avanzados en química, física o EM. Pensamos que esta ausencia debería ser rectificado, para que los jóvenes estudiantes sean expuestos a un enfoque atractivo para la posteriores estudios tecnológicos tradicionales. Un obstáculo para este enfoque poco convencional Podría ser que los típicos profesores de “difícil” Las ciencias no dominan lo histórico. antecedentes de su tema. Una pauta entonces conviene estar preparado o, mejor aún; uno debería hacer que los historiadores de la ciencia y tecnología en busca de ayuda. Prehistoria: De aproximadamente 3.000.000 a 6.000 hace años que Durante la prehistoria y durante un período considerable parte de la historia de la humanidad, mucho antes El desarrollo de la ciencia tal como la conocemos. Hoy en día, los materiales sólidos se utilizan principalmente para sus propiedades mecánicas, cuya práctica el interés es evidente; pocas otras propiedades tienen considerado: propiedades térmicas para el calidez del pelaje y, a menudo, sólo por casualidad, magnetismo, electricidad, propiedades ópticas. Sólo cuatro materiales naturales habían sido dominados, es decir, desarrollados en herramientas, durante Los albores de la civilización: piedra, madera, hueso. y cueropiel. Del primero y del tercero de estos materiales tenemos muchos hallazgos arqueológicos, debido a su composición química estabilidad, mientras que esto no es cierto para el otro dos, y la evidencia es indirecta o inductivo. Para el dominio de la piedra, el obstáculo para superar fue cómo controlar la forma. Este fue un proceso difícil y gradual; él tardó varios cientos de miles de años en llegar de unas diez herramientas diferentes hechas de piedras astilladas durante el Bajo Paleolítico (Chellean) a cien durante el Paleolítico Superior (Tixier, 1984), véase algunos ejemplos en la Figura 1. Las herramientas más antiguas conocidas hasta la fecha tienen Se ha encontrado en África y data de alrededor del año 3. millones de años. Los artesanos no eran los ancestros directos del Homo sapiens pero Homínido Australopithecus. Piedra mucho más tarde fue explotada para monumentos, viviendas, estatuas, urnas y mosaicos. La madera todavía está hoy en día uno de los más utilizados materiales: el consumo industrial se trata 1,6 mil millones de m3 . En los edificios los inconvenientes de la limitada resistencia de los arquitrabes de piedra a La tensión transversal se superó mucho más tarde. (Etruscos), gracias a la invención del arco de bóveda. Con la invención de la arcilla cocida y durante la Edad de los Metales, nuevas técnicas para una Se hizo disponible un control más fácil de la forma. Cabe señalar que el control de la forma, a nivel nivel más sofisticado, sigue siendo un objetivo de la tecnología contemporánea: considere la límites de tolerancia de las máquinas herramienta modernas, La ultraminiaturización de la electrónica. Los circuitos, las nanotecnologías. El torno de alfarero es el progenitor del Torno moderno utilizado en talleres mecánicos. (ver Figura 3, izquierda). Aquí y en el siguiendo las interconexiones entre tecnología y ciencia de materiales y otros Se debe hacer hincapié en las técnicas. El fuego jugó un papel clave. Los hombres habían conocido el fuego durante medio millón de años, como atestigua Restos de antiguos hogares. sin embargo, el primera vez que se utilizó con fines técnicos era para cocer barro; este proceso es ahora conocido como sinterización. La sinterización cambia la estructura del material natural, modificando las uniones entre los átomos y su disposición en espacio, y produciendo una soldadura parcial de las partículas sólidas de la mezcla; es el proceso más antiguo para la transformación de asunto. El papel del fuego y en general de los hornos para obtener altas temperaturas para productos nuevos o mejores los materiales se pueden estresar; esto será mejor ilustrado con el último medieval desarrollos. Probablemente la primera cocción se realizó en hornos abiertos. Posteriormente, otros dos tipos de se construyeron hornos, verticales y horizontales; El primer tipo es el antepasado de la explosión moderna. hornos. Las temperaturas más altas fueron logrado por los chinos (siglo VII-IV B.C.), quienes fueron capaces de hacer compacto Cerámica conocida como porcelana, hecha de color blanco. arcilla y caolín. Desarrollos importantes tuvo lugar principalmente durante las últimas décadas de el siglo XX, por la necesidad de nuevas Materiales resistentes a altas temperaturas. (refractariedad), a químicamente hostil ambientes (químicamente inertes) y a fuertes tensiones mecánicas. Esta es la razón ¿Por qué los compuestos de nitrógeno, carbono y El silicio ha sido ampliamente estudiado. Además de sus propiedades estructurales, hoy Los materiales cerámicos han adquirido interés por sus propiedades magnéticas (ferritas), eléctricas propiedades (piezoeléctricas, superiónicas, superconductores, etc.). LAS EDADES DE LOS METALES Los metales están muy extendidos en la Tierra, pero pocos. Los metales se pueden encontrar en su estado original: oro, plata, cobre (platino); estos son los primeros metales que el hombre aprendió a utilizar (V milenio o antes). El oro se utilizaba para fabricar artículos decorativos. y joyas. Posteriormente pequeñas barras de una aleación de El oro y la plata se convirtieron en monedas y fueron intercambiados en el comercio. Rastros de la La importancia del oro se puede encontrar en los mitos. y leyendas: Manzanas Doradas en el jardín de Hesperedis, el Toisón de Oro ganado por Jasón, el rey Midas condenado a convertirse en oro todo lo que tocaba, el Becerro de Oro (Éxodo 32:1), etc. Durante la Edad Media, las generaciones de Los alquimistas trabajaron para obtener el “piedra filosofal” capaz de transformarse mercurio o plomo en oro. Oro, químicamente estable pero raro, no tenía otro. uso práctico hasta tiempos recientes, cuando encontró aplicaciones en electrónica. como el oro y plata, cobre metálico nativo puede ser Se encuentra en la naturaleza en pequeñas cantidades. Pequeño objetos hechos de cobre nativo aparecen en Asentamientos neolíticos, VIII-VII Milenio. El análisis de su microestructura muestra que el metal fue sometido a trabajo en frío para dar forma y endurecer. La mayoría de los metales son Parte de compuestos no metálicos en las rocas. Esto se debe a que son altamente reactivo y se combina químicamente con elementos no metálicos como oxígeno, carbono, silicio para formar óxidos, carbonatos, silicatos, etc. La Edad del Cobre: El nacimiento de la Edad del Cobre está marcado por el descubrimiento de que el metal podría ser obtenido de sus minerales. El Cu se encuentra más comúnmente en forma de óxidos, carbonatos, sulfatos. Metálico El cobre se puede obtener de minerales mediante reducción, concretamente calentando con carbón vegetal; El metal fundido se puede verter en recipientes refractarios (crisoles) de un determinado forma: debido a este descubrimiento, herramientas hechas de El Cu fue más utilizado durante el III Milenio. Se han encontrado minas de cobre. De regreso al V Milenio. De re metalica de Georgius Agricola, publicado en el año 1556, es un libro catalogar el estado del arte de la minería, refinación y fundición de metales, que quedaron el texto autorizado sobre minería para 180 años después de su publicación. En la Figura 5 hay un imagen de este libro fundamental. Mucho más tarde, la evolución técnica de La extracción de minerales jugó un papel en un proceso bastante ámbito diferente: en el siglo XVIII d.C. Necesidad de una mejor técnica para el drenaje. agua del fondo de las minas de carbón profundas liderar a Thomas Newcomen en 1712 (Dartmuouth, 1664 – Londres, 1729) a desarrollar una máquina de vapor; sin embargo tenía bajo eficiencia y baja potencia (alrededor de 4 kW). El objetivo de obtener un producto más potente y motor eficiente fue logrado por James Watt en 1769, con la introducción de un separado condensador de vapor. Durante los dos últimos siglos, el Cu ha adquirió una gran importancia en la electricidad. aplicaciones; De hecho, el Cu es un buen conductor. de electricidad. Conductores de baja resistividad. son ventajosos porque causan menores disipación de calor cuando la corriente eléctrica atravesar. En línea con esto, se puede Introducir los primeros elementos en el circuito eléctrico. propiedades de los materiales, como la ley de Ohm y el efecto Joule. La Edad del Bronce: Un nuevo desarrollo metalúrgico casi simultáneamente con el de Cu; estaba basado sobre aleaciones de cobre y pequeñas cantidades de otros elementos, arsénico y estaño. Estas aleaciones Tienen propiedades mecánicas superiores a las de cobre puro y tienen un punto de fusión más bajo. temperatura. La aleación generalmente denominada el bronce está hecho de cobre y estaño. Su nombre ha sido acuñado para denotar el primer período de Historia de la humanidad: la Edad del Bronce. La propagación de la metalurgia del bronce dio un nuevo impulso a comercio; expediciones destinadas a adquirir estaño podría durar varios años. Hoy bronce Se emplean aleaciones que también contienen plomo. debido a su propiedad de baja fricción; Se pueden hacer resortes especiales agregando silicio; resistencia a la corrosión por el agua de mar se puede conseguir añadiendo manganeso. La Edad del Hierro: En los pocos hallazgos de hierro más antiguos (IV Milenio) el metal es de origen meteórico; sin embargo, los meteoritos son bastante raros. El La actual Edad del Hierro comenzó a finales del siglo XIX. el II Milenio, presumiblemente gracias a la Herreros hititas. Los hititas eran un Pueblo endoeuropeo que, hacia el final del II Milenio, asentada en la región de Turquía contemporánea; gobernaron durante casi un milenio y el colapso de su El imperio resultó en la dispersión de sus hábiles herreros, de ahí la difusión del hierro metalurgia. El hierro se produjo a partir de minerales, principalmente hematita y magnetita, calentados en hornos alimentados con carbón vegetal, estos hornos, en lugar de dar metal fundido, produjo una materia sólida y esponjosa (flor), que contiene hierro como carburo de hierro (Fe3C), trozos de Carbono y otras impurezas, en para expulsar las impurezas y reducir la contenido de carbono, la flor fue tratada en Forja mediante calentamiento y martillado repetidos. la forma deseada de los objetos de hierro era obtenido por los herreros en su fragua por calor trabajando y trabajando en frío la conexión con la mitología, el dios olímpico de metalurgia, Hefesto (ver Figura 6), hijo de Zeus y Hera, y el primer metalúrgico de la Biblia, Tubal Caín, muestran la importancia atribuida al hierro. Trabajo en frío, también conocido como trabajo. El endurecimiento es el fortalecimiento de un metal o una aleación por deformación plástica. Este El fortalecimiento se produce debido a dislocaciones movimientos y dislocaciones generación dentro de la estructura cristalina, interactuar unos con otros y servir como Fijar puntos u obstáculos que significativamente impedir su movimiento. Porque la dislocación el movimiento se ve obstaculizado, deformación plástica no puede ocurrir bajo tensiones normales. Esto lleva a un aumento del límite elástico y a un Disminución de la ductilidad del material. Producir La fuerza aumenta en un trabajo en frío. material. Imágenes simples de celosías cristalinas perfectas. y de celosías que contienen lineales Las imperfecciones (dislocaciones) pueden ser. propuesto para explicar la mecánica. propiedades de los materiales Debido a su mayor resistencia mecánica, El hierro, poco a poco, sustituido en muchos usos por la piedra. y bronce. Herramientas de hierro como azadas, picos, espadas, hoces y bujías, que permitieron labranza más profunda del suelo, esparcida progresivamente; como consecuencia, la agricultura expandido a áreas más grandes y la población creció. La transición, sin embargo, fue lento, debido a la complejidad del hierro metalurgia. Mientras que los objetos de bronce pueden ser Se obtiene fácilmente fundiendo y vertiendo en crisoles de la forma deseada, artículos de hierro requieren una técnica diferente. De hecho, puro el hierro se funde por encima de los 1500°C, una temperatura tan alta La temperatura se alcanzó sólo mucho más tarde, en hornos medievales. Una evidencia de la dificultad de la transición desde previamente metales conocidos como hierro se pueden encontrar en el Ilíada (Siglo VII a.C.): hay alrededor trescientas referencias al cobre y sólo unos veinte para planchar. Los artículos de hierro aparecen con mayor frecuencia en el Siglo VII en adelante; la mayoría de Los hallazgos arqueológicos se encuentran en mal estado. debido al hecho de que el hierro sufre corrosión (óxido). La corrosión es la destrucción gradual de materiales (generalmente metales) por reacción química con su entorno. La palabra comúnmente significa oxidación de metales en reacciones con un oxidante. como el oxígeno. La oxidación, la formación de óxidos de hierro, es un ejemplo bien conocido de Corrosión electroquímica. Muchos metales y aleaciones estructurales se corroen simplemente por la exposición a humedad en el aire, pero el proceso puede verse fuertemente afectado por la exposición a ciertas sustancias. La corrosión puede concentrarse localmente para formar un hoyo o grieta, o puede extenderse a través de un área amplia. corroyendo más o menos uniformemente la superficie. Porque la corrosión ocurre en las superficies expuestas. y es un proceso controlado por difusión, métodos para reducir la actividad de la superficie expuesta, tales como como pasivación y conversión de cromato, pueden aumentar la resistencia a la corrosión de un material. Algunos metales son intrínsecamente más resistentes a la corrosión que otros. Los materiales más resistentes a la corrosión son aquellos para los cuales la corrosión es termodinámicamente desfavorable. Además, algunos metales tienen una cinética de reacción naturalmente lenta, aunque su corrosión es termodinámicamente favorable. Estos incluyen metales como zinc, magnesio y cadmio. Existen varias formas de proteger los metales de la corrosión. (Oxidación: enchapado, pintura y la aplicación de esmalte son los tratamientos anticorrosivos más habituales.) En 1998, el coste directo anual total de la corrosión en EE.UU. fue de aprox. 276 mil millones de dólares (aprox. 3,2% del el producto interno bruto de Estados Unidos). Mejoras considerables en el hierro La metalurgia se hizo cuando nuevas técnicas fueron descubiertos: siderurgia (o cementación) y revenido. Hacia el herreros de mediados del II Milenio Se dio cuenta de que las herramientas de hierro calentadas al rojo vivo. El carbón vegetal era más duro que el hierro forjado. Hoy sabemos que esto se debe a la pequeña cantidad de carbono que penetra en el exterior capa de hierro y la transforma en acero. Las espadas con hojas de acero ya estaban fabricado a principios del I Milenio. El enfriamiento, que produce una Se descubrió un acero más duro pero más frágil. más tarde. Uso a gran escala del Imperio Romano; los romanos hicieron más progresos; el “gladium”, una espada corta y sólida, era superior a la espada de bronce de sus enemigos. Las aleaciones Hierro-Carbono no son homogéneas, pero su microestructura cambia según la temperatura a la que se calientan y la velocidad de enfriamiento. Las propiedades mecánicas dependen fuertemente sobre su microestructura. El análisis de las herramientas mediante óptica y escaneo. El microscopio electrónico ha proporcionado información sobre las antiguas técnicas metalúrgicas. EL RENACIMIENTO DE LA METALURGIA DEL HIERRO Alta Edad Media Hacia el año 1000 se produjo un cambio cultural. y reactivación económica en Europa. El La producción de hierro también aumentó, probablemente también para satisfacer las necesidades de ejércitos más grandes, y, más tarde, tras la invención de la pólvora, por la producción de armas de fuego. La creciente necesidad de hierro fundido y acero requirió mayores hornos capaces de alcanzar mayores temperaturas (fusión completa del molde hierro). Esto, a su vez, condujo a la construcción de Fuelles grandes para soplar más aire. Humano La energía no era suficiente para mover el fuelle, de ahí la energía del funcionamiento. Se explotaba el agua a través de una noria. La fusión completa del hierro fundido fue una de los mayores logros de la Edad Media, también ilustrado por Vinnoccio Biringuccio en 1540. La Figura 7 muestra una imagen de la famoso libro de Vinnoccio Biringuccio. Figura 7. Fuelles en el taller de herrería. (Vinnoccio Biringuccio, 1540). La necesidad de grandes cantidades de madera para alimentar a la Los hornos, en algunas regiones de Europa, crearon un crisis ambiental debido a la extensa deforestación. La necesidad posterior de carbón. hizo necesario cavar minas más profundas; de este modo, el agua del fondo de la mina tuvo que ser drenado; condujo, en el siglo XVIII, a la invención de la máquina de vapor, cuyo La importancia en la revolución industrial está bien conocido. Durante la segunda mitad del siglo XV. Siglo los banqueros hicieron grandes inversiones. para la explotación de yacimientos minerales, con el fin de establecer una industria siderúrgica a gran escala. Hubo un gran avance en la metalurgia del hierro. a finales del siglo XVIII cuando la coca, que tenía bajo contenido de azufre; también la invención del pudín, donde el molde derretido El hierro se revuelve usando largas barras de hierro en el presencia de hematita y óxido de hierro, y sometidos a fuertes corrientes de aire. Durante este proceso la descarburación toma lugar y el hierro así obtenido es suficientemente puro y fácilmente manejable. Este paso marca el inicio de la segunda Edad del Hierro; el La cantidad de hierro producida creció enormemente. El hierro también se empleaba ampliamente en Industria de la construcción y en el Gran Hierro obras; el primer gran puente de hierro, sobre el río Severn, fue construido en 1781 y requirió 400 toneladas de hierro fundido. Guerras napoleónicas y, más tarde, el desarrollo de los ferrocarriles, estimuló la producción de cantidades cada vez mayores de hierro fundido y acero. Curiosas consecuencias indirectas: Después de 1800, las plumas de ganso son reemplazadas por plumillas de acero; Los viajes en tren estimularon el desarrollo de relojes personales y su amplia usar. Principal desarrollo durante el XVIII Siglo 1664-1665: Robert Boyle, uno de los fundadores de la química moderna, y Robert Hooke, físico e inventor, abre el camino a El análisis estructural del acero. 1733 – René-Antoine Ferchault de Réaumur publica un primer tratado sistemático: examinar las superficies de la fractura con microscopio, descubre que el acero se compone de pequeñas granos e identifica el papel de las impurezas en Diferentes tipos de aleaciones hierro-carbono. 1773 – el análisis químico muestra el papel desempeñado por el carbono en el hierro fundido y el acero. Desde el papel de la química en la industria del acero se vuelve cada vez más importante. 1776 – John Wilkinson reemplaza los fuelles con máquinas de vapor para obtener mayores flujos de aire y alcanzar temperaturas más altas 1784 – Charco de Hierro. Principales novedades durante el XIX Siglo y después 1821 – Bertiez logra el acero al cromo aleación 1822 – Michael Faraday obtiene cromo y aleaciones de níquel; serán ampliamente utilizados hacia finales de siglo. 1825 – primeros ferrocarriles Stockton-Darlington; el Liverpool_ Manchester se construirá en 5 años más tarde. 1855 – patente del proceso Basesmer: el primer proceso industrial para la producción en masa de acero a partir de arrabio fundido; el El principio clave es la eliminación de impurezas de El hierro por oxidación con aire soplado. a través del hierro fundido; la oxidación también aumenta la temperatura de la masa de hierro y lo mantiene fundido. 1860 – Consecución del acero de tungsteno. aleación, una aleación dura utilizada para herramientas de corte rápido (R.F. Mushet) 1864 – Martin-Siemens (o tierra abierta) proceso, en el que el exceso de carbono y otros Las impurezas se queman en el arrabio (alto contenido de carbono, 3,5 – 4,5%) para producir acero; sus principales ventajas eran que no exponía el acero al exceso de nitrógeno, lo que provocaría hacer que el acero se vuelva quebradizo. 1864-1866 – Gracias a la introducción del microscopio metalográfico (reflectante), el La microestructura y las propiedades del acero son investigado con mayor detalle (H. C. Sorby). 1870 – Dmitrij Konstantinovič černov identifica el punto crítico, es decir, el Temperaturas a las que cambia la fase. ocurren, y la influencia del procesamiento térmico del tamaño de los granos y de la dureza. 1878 – Proceso de Thomas, similar al Bessemer, pero más eficiente para eliminar el contenido de fósforo. Su adopción en Alemania da un fuerte impulso a los pesados industria. 1879 – Adolf Martens publica su primera obra. sobre la microestructura del hierro y el acero; martensita, una fase metaestable del acero. Es nombrado en su honor. 1878-1890 – Desarrollo de la electricidad horno. 1887 – R. A. Hatfield patenta el acero con alto contenido de manganeso, una aleación no magnética y resistente al desgaste. 1888 – Henri Louis Le Châtelier perfecciona el acoplamiento de platino con platino-rodio aleaciones que dan lugar a la pirómetro termoeléctrico y adaptar una óptica pirómetro para uso industrial; que hizo alto Es posible realizar mediciones de temperatura. 1889 – Josiah Willard Gibbs anuncia su regla de fases que, más adelante, facilitará la Identificar mejor las fases de las aleaciones Fe-C. 1904 – Desarrollo del acero al vanadio, que Más tarde será ampliamente empleado por Ford en motores. 1934 – se propone el modelo de dislocación en para interpretar las propiedades mecánicas de sólidos, en particular la deformación plástica VASO Los usos más antiguos del vidrio, distintos del la fabricación de artículos de vidrio, fueron los Recubrimiento de otros materiales para decoración. finalidad (acristalamiento). Las perlas vidriadas eran ya fabricado antes del IV Milenio; hizo falta un milenio más para la técnica de trabajo para desarrollarse al punto que se podían fabricar objetos huecos. Instrucciones sobre cómo preparar vidrio tallado. mesas de arcilla, se han encontrado en los grandes Biblioteca de Nínive, la capital de Asiria. Imperio. El vidrio normal se obtiene calentando una mezcla. de arena de sílice (SiO2) y otras sustancias, como óxido de calcio, óxido de sodio y varios carbonatos, hasta el punto de fusión. Puro La sílice tiene un punto de fusión más alto. Sílice Pura tiene un punto de fusión más alto que la mezcla. Cuando la masa fundida se enfría, se vuelve gradualmente más viscoso y luego se solidifica hasta convertirse en una sustancia rígida. material. Por tanto, no existe ninguna característica temperatura crítica para el líquido-sólido transición. El sólido amorfo resultante es transparente, siempre que la mezcla original no contiene impurezas. El vidrio coloreado es obtenido cuando pequeñas cantidades de otros Se añaden sustancias. Hermosos jarrones hechos de Se han encontrado vidrios coloreados en Egipto. tumbas de la dinastía XVIII (1580-1369) B.C.), ver por ejemplo Lilyquist. Ellos eran obtenido dando forma al vidrio alrededor de un núcleo de tiza o arena que se eliminó después de la proceso de horneado. El vidrio es un sólido amorfo: no cristalino. estructura, es decir, sus átomos no son ordenadamente dispuesta en el espacio. La diferencia entre líquido-sólido. La transición y la transición vítrea también pueden ser mostrado. De manera más general, también se podría Explicar las transiciones de fase. La técnica del soplado de vidrio fue una importante paso adelante que hizo posible para trabajar contenedores grandes con paredes delgadas y Diferentes formas. Al parecer esta técnica fue descubierto en Siria durante la primera Siglo aC. Durante este mismo período el vidrio comenzó a usarse para ventanas en romano edificios. El arte en vidrio no tuvo un efecto sustancial. progresa durante muchos siglos. Se desarrolló principalmente en Venecia. Las técnicas de procesamiento fueron considerados secretos de Estado y las autoridades de la República podría ordenar la pena de muerte para el artesano y su familia si fueran en el extranjero para exportar sus conocimientos! Las propiedades ópticas de los materiales, el color, La reflectividad y la transparencia se pueden ilustrar. a través de imágenes clásicas de espejos, jarrones, mosaicos, ventanas. Esto permite que el introducción de las propiedades de la luz: espectro de la radiación (longitud de onda/frecuencia, absorción, reflexión difusión, refracción y el papel de la red impurezas. Vidrio y ciencia Aparecieron importantes innovaciones cuando técnicas avanzadas para el pulido de la Se desarrollaron superficies de vidrio compacto. Esmerilado y pulido de vidrio transparente. conducir a la producción de lentes para gafas; más tarde, en el siglo XVII, lentes para microscopios y También se fabricaron telescopios. Estos desarrollos abiertos inimaginables posibilidades para el estudio del cielo y de la Mundo Microscópico. Estos técnicos desarrollos, incluido también el prisma de Newton para la refracción de la luz, jugó un papel clave en La ciencia de la revolución. Recientemente, gracias a los logros en química y física y bajo la presión de la industria, muchos tipos diferentes de especiales Se ha producido vidrio. Vidrio a prueba de rotura fue un logro de los años treinta; otro Paso importante (1959) fue la técnica para obtener superficies planas de óptima calidad: fundidas Se deja que el vidrio se solidifique mientras flota sobre un baño de estaño derretido. Lo más impresionante el desarrollo era sin duda el de la transparencia. Es de la mayor importancia en óptica. Fibras para telecomunicaciones, utilizadas como guías de ondas para transmitir pulsos de luz a través grandes distancias con un bajo nivel de atenuación y con velocidades de datos de ancho de banda más altas que cables de cobre Guiado de la luz por reflexión interna, el principio que hace posible la fibra óptica, fue demostrado por primera vez en París a principios de la década de 1840. El límite de atenuación crucial de 20 dB/km fue logrado por primera vez en 1870, por investigadores que trabajaban para el fabricante de vidrio estadounidense Corning Glass Funciona, ahora Corning Incorporated. Hoy en día, miles de tipos de vidrio son producido. MATERIALES MAGNÉTICOS Las propiedades de los imanes siempre han sido generó asombro. Al parecer Tales de Mileto, el primer filósofo y científico de civilización occidental (siglo VI a.C.), Ya conocíamos un imán natural, ahora llamado magnetita. Tales, así como los sucesivos Los filósofos creían que los imanes tienen una alma, y esta idea duró aproximadamente dos milenios. Otras visiones, más cercanas a lo moderno conceptos del campo magnético, explicó el efecto en términos de un fluido invisible emitido por El imán. El poeta latino Tito Lucrecio Caro (Siglo I a.C.) escribió: "Cántame Ahora bien, oh Musa, la razón de tal efecto extraordinario. Explícame por qué el El imán atrae fuertemente y con tanta pasión. abraza el hierro tosco". En el siguiente El poeta describe la capacidad de los imanes para atraer pequeños anillos de hierro y formar una cadena (inducción magnética), e intenta una explicación atomista. Durante toda la Edad Media hubo poca progreso. Varias explicaciones cualitativas fueron propuestos durante los días 12 y 13 Siglos, Pierre de Mericourt, concretamente Petrus Peregrinus, en 1269 escribió la Epistula de Magnete (en este tratado también hay un diseño ¡Para un mecanismo de movimiento perpetuo!). Sin embargo, circulaban extrañas leyendas. En "las mil y una noches" ahí está la descripción de una montaña negra que provocó el naufragio de los barcos que se acercaron demasiado, porque el montaña atrajo y sacó el hierro clavos. Las primeras descripciones del uso de barras magnéticas, es decir, la brújula como medio para encontrar el camino durante la navegación, retroceder hasta el siglo XIII en los países occidentales; Los chinos lo sabían al menos dos siglos antes. La "Repubbliche Marinare" italiana empleó la brújula durante ese período. Esto y la invención de la popa vertical. timón (posible también gracias al progreso de metalurgia del hierro), encaminó a Europa hacia la Grandes conquistas geográficas. Primeros estudios sistemáticos El primer tratado científico, el De Magnete, fue publicado por William Gilbert (Colchester 1544 – Londres 1603), el personal inglés médico de la reina Isabel. Durante 18 años de experimentos convirtió a los confundidos conocimiento de su época en un conjunto de datos verificados. datos. Gilbert se dio cuenta de que la Tierra es enorme. imán cuyos polos están situados cerca de la polos geográficos; por lo tanto se le considera El padre del geomagnetismo. Gilbert también había la tarea de demostrar que la generalizada creencia de que el diamante podría magnetizar un La aguja de hierro no era cierta. Su contemporáneo Giovanni Battista Porta escribió: "Es común opinión entre los marineros de que la cebolla y el ajo están en contraste con los imanes y los timoneles Está prohibido comerlos para evitar molestias. del indicador de polo. Sin embargo, cuando intenté todas estas cosas las encontré falsas". Alcalde desarrollo Los materiales magnéticos fueron más ampliamente utilizado debido al desarrollo de la electricidad, después de la invención, de Alessandro Volta (Como 1745 – Como 1827) de la "pila". El disponibilidad de corrientes continuas y de la campo magnético generado por estas corrientes (Hans Christian Oersted, 1819) lo hizo más fácil magnetizar materiales y conducir a la Conocimiento de los bucles de histéresis. El nuevo Las necesidades de la industria eléctrica requirieron nuevos Materiales magnéticos con propiedades diferentes. de los imanes permanentes ya conocido; por ejemplo, para los transformadores, materiales de alta permeabilidad, capaces de transmitir el flujo del campo magnético, y de baja coercitividad, es decir, fácilmente desmagnetizado. Más recientemente otro material han sido desarrollados, para grabación magnética, para dispositivos de microondas, memorias de ordenador, etc. Pasos básicos en la historia reciente del magnético. Materiales Pierre Curie (París, 1859-1906) estudió ferromagnetismo, paramagnetismo y diamagnetismo para su tesis doctoral y descubrió el efecto de la temperatura sobre paramagnetismo, que ahora se conoce como La ley de Curie. También descubrió que Las sustancias ferromagnéticas mostraron un efecto crítico. transición de temperatura (punto curie), arriba que la sustancia pierde su carácter ferromagnético. comportamiento. 1897: Charles-Eduard Guillaume (Nobel Premio) descubre una aleación (invar) que consiste en 64% de hierro y 36% de níquel, que presenta casi ninguna expansión térmica; invar habilita mediciones físicas muy precisas para ser realizado. 1898 – Se descubre que el manganeso, cuando mezclado con Cu y Sn da un ferromagnético aleación con propiedades similares a las de Níquel. 1898 – Aleación Fe-Si, ampliamente empleada en transformadores. 1905: Paul Langevin (París, 1872 – 1946) Desarrolla la teoría atómica del paramagnetismo. 1907: PierreErnest Weiss (Mulhouse, 1865). – Lion, 1940) propone una teoría de Ferromagnetismo basado en el "molecular campo", y de los dominios magnéticos. 1911 - Heike Kamerlingh Onnes (Groningaen, 1853 – Leyden, 1926) la superconductividad. 1912 – Se descubre que el manganeso, cuando mezclado con Cu y Sn, da un ferromagnético aleación con propiedades similares a las de Níquel. 1912 – Se descubre la alta magnetización de la aleación Fe-Co. 1916 – Patentado, con el nombre de Permalloy, una aleación de Ni 78%, Fe 22% por una muy alta Susceptibilidad magnética. 1925: George Eugenio Uhlenbeck (1900, Batavia – 1988, Boulder) y Samuel Abraham Goudsmit (La Haya, 1902 – Reno, 1978) formulan la hipótesis de que el El electrón tiene un momento angular intrínseco. (giro) y un momento magnético asociado. 1928: Werner Karl Heisenberg (Wurzburgo, 1901 – Múnich, 1976) explica Ferromagnetismo mediante el intercambio. interacción, un concepto característico de mecánica cuántica. 1932: Félix Bloch (Zúrich, 1905-1983) propone un modelo para describir la estructura y propiedades de los límites del campo magnético dominios (paredes de Bloch). 1933 – Inicio de los estudios sobre blandos ferritas. 1935- óxidos de hierro depositados en alambres para la grabación magnética. 1936 – Aleación Fe-AlCo-Ni (alnico) para magnetos permanentes. 1950 – Ferrita de Bario, el componente básico de Imanes permanentes cerámicos. PASOS BÁSICOS RECIENTES EN TÉCNICAS QUE SON RELEVANTES A LA PRODUCCIÓN DE NUEVOS MATERIALES, Y AL ESTUDIO DE SUS PROPIEDADES 1912 – La difracción de rayos X permite el estudio de las estructuras cristalinas; más tarde será usado también para determinar las fases del Fe-C aleaciones. 1945 – La primera difracción de neutrones. Los experimentos fueron realizados por Ernest O. Wollan; poco tiempo después se le unió Clifford Shull, y juntos fundaron los principios básicos de la técnica, y lo aplicó con éxito a muchos diferentes materiales. 1931- El físico alemán Ernst Ruska y el El ingeniero eléctrico Max Knoll construyó el prototipo de microscopio electrónico de transmisión (TEM). Un microscopio electrónico utiliza electrones acelerados como fuente de iluminación. Porque la longitud de onda de una El electrón puede ser hasta 100.000 veces más corto. que la de los fotones de luz visible, el electrón El microscopio tiene un mayor poder de resolución que un microscopio óptico. 1937 – Manfred von Ardenne fue pionero en el microscopio electrónico de barrido (SEM). El SEM produce imágenes sondeando el muestra con un haz de electrones enfocado que es escaneado a través de un área rectangular de la muestra; produce imágenes detectando electrones secundarios que se emiten desde la superficie debido a la excitación por el primario rayo de electrones. 1960 – La epitaxia de haz molecular (MBE) es una Método de depósito de películas delgadas epitaxiales. Él Fue inventado en los laboratorios Bell Telephone. por J. R. Arthur y Alfred Y. Cho y es ampliamente utilizado en la fabricación de dispositivos semiconductores. 1960 – Metalorgánico fase de vapor (MOVPE), o metalorgánico La deposición química de vapor (MOCVD), es una método de deposición química de vapor utilizado para producir películas delgadas simples o policristalinas; él es una tecnología de deposición competidora para MBE. 1981 – Un microscopio de efecto túnel (STM) es un instrumento para obtener imágenes de superficies. a nivel atómico; se basa en el concepto de túneles cuánticos. Su desarrollo mereció sus inventores, Gerd Binnig y Heinrich Rohrer (en IBM Zürich), el Premio Nobel de 1986. Microscopio de fuerza atómica (AFM) o escaneo El microscopio de fuerza (SFM) es un microscopio de muy alta resolución. del orden de fracciones de a nanómetro. El precursor del AFM, el microscopio de efecto túnel, fue desarrollo de Gerd Binnig y Heinrich Rohrer a principios de los años 1980. LA BASE CONCEPTUAL MATERIALES DE CIENCIA DE LOS El desarrollo de materiales, como se muestra en la capítulo, durante milenios se ha debido a hallazgos empíricos y a la habilidad de los artesanos. Hoy en día, como en las últimas décadas, existe fue la transición desde lo empírico técnicas para la EM real: lo fundamental base del estudio de las propiedades y la El desarrollo de materiales radica en la desarrollos de la física (física cuántica) y química. La comprensión de las propiedades de Sólidos cristalinos, a partir de su estructura. a escala atómica, es esencial en la EM. El bloques de construcción de esta gran construcción, física del estado sólido y química inorgánica, se han ido aclarando gradualmente durante el pasado dos siglos. Los ladrillos son los electrones. y los núcleos, mientras que las estructuras portantes son las leyes de la teoría clásica, estadística y física cuántica y de química (Figura 8). La construcción no está completa, nueva. Los fenómenos proporcionan más información conceptual. desafíos. No es lineal; en algunos campos el Los desarrollos empíricos son a veces tan eficaces que aquellos basados en fundamentos científicos (Figura 8). A menudo se inventan nuevos materiales. con propiedades que no habían sido previstas. La riqueza de todo el escenario es fascinante. DISCUSIÓN Y RECOMENDACIONES Los acontecimientos más recientes, sólo esbozados aquí, podría tratarse más extensamente. El El esquema presentado obviamente no es exhaustivo, no es simplemente un ejemplo, un esquema de cómo un curso introductorio de este tipo podría ser organizado. Por ejemplo, no se ha mencionado hecho a clases importantes de materiales, tales como polímeros orgánicos, reforzados con fibras compuestos, semiconductores y superconductores. uno podría elegir otro ejemplos de materiales, según la Temas que se tratarán más a fondo. en cursos futuros, y podría enfatizar los aspectos básicos conceptos físicos y químicos que son los sólida formación en ciencia de materiales y tecnología. Recomendamos hacer un gran uso de imágenes, anécdotas y referencias a acontecimientos históricos paralelos, con el fin de hacer curso más interesante y estimulante. CONCLUSIONES Respecto a la propuesta no tradicional de En este capítulo, los profesores de MS y La tecnología podría tener dos opuestos reacciones, algunos no lo aceptarían, aunque utilizando argumentos razonables, como la necesidad de dedicar todo el tiempo del curso a la disciplinas tradicionales y/o la dificultad de encontrar buenos profesores y textos. Estrategias para ganarse al profesorado que No es probable que sean receptivos a tal curso. no son fáciles; a cada profesor le suele gustar su propia experiencia docente tradicional, y con buenas razones. Podría subrayarse que Es necesario captar el interés de estudiantes proporcionándoles un enfoque suave a la materia de MS y Tecnología, y una El enfoque histórico ofrece esta oportunidad. Otros profesores mostrarán interés y voluntad. En este último caso es aconsejable prestar mucha atención para encontrar o preparar Buenos textos, adecuados para la planificación general. de todo el currículum. Un maestro típico y tradicional es una persona especializados en su propio campo de investigación, y esto proporciona los antecedentes necesarios para dando un curso bueno y actualizado. Sin embargo, un esfuerzo por ampliar la La visión especializada puede resultar beneficiosa tanto para estudiantes y para profesores. Además, como comentado anteriormente y mostrado como ejemplos en las cajas, se puede utilizar el enfoque histórico por parte del profesor también para introducir en un manera cualitativa algunos conceptos y físicos leyes que hacen de puente entre lo empírico desarrollos y la EM moderna. Piedra: Durante el Paleolítico, la piedra fue esencial para la fabricación de herramientas rudimentarias, como cuchillos y hachas, que permitieron a nuestros antepasados cazar, cortar alimentos y defenderse de depredadores. La piedra también se utilizó para crear arte rupestre, lo que sugiere el inicio de la expresión artística. Barro: La alfarería, basada en el barro, permitió a las civilizaciones antiguas almacenar alimentos y líquidos de manera segura. Además, la cerámica decorativa se convirtió en una forma de expresión artística y cultural, y muchos objetos de cerámica se han conservado hasta la actualidad como registros históricos. Cobre y Bronce: La Edad del Bronce marcó un avance en la fabricación de armas, herramientas y objetos ornamentales. La capacidad de fundir y trabajar el bronce permitió la creación de herramientas agrícolas más efectivas y armas más letales, lo que a menudo llevaba a un mayor poder militar y político en las civilizaciones que tenían acceso a estos metales. Hierro: La Edad del Hierro fue una época de transformación en la que el hierro reemplazó al bronce como material dominante. Esto llevó a mejoras significativas en la fabricación de herramientas, armas y maquinaria agrícola. El uso generalizado del hierro fue un factor importante en el desarrollo de las civilizaciones y la expansión de la tecnología. Plásticos: La invención de los plásticos en el siglo XX cambió drásticamente la forma en que vivimos. Los plásticos son versátiles, livianos y económicos de producir, lo que los convierte en un componente clave de una amplia variedad de productos, desde envases y dispositivos médicos hasta tecnología y transporte. Sin embargo, su uso excesivo ha llevado a problemas de contaminación ambiental y desafíos de gestión de residuos. Polietileno: El polietileno es un polímero termoplástico ampliamente utilizado. Se considera un material porque es una sustancia que se puede fabricar en diferentes formas, como películas, láminas, tuberías o envases. Tiene propiedades específicas, como la capacidad de ser moldeado por calor, ser resistente a la humedad y tener una alta flexibilidad, lo que lo hace ideal para una variedad de aplicaciones, desde bolsas de plástico hasta botellas y juguetes. Aluminio: El aluminio es un metal ligero, maleable y resistente a la corrosión. Se considera un material porque se puede extraer de la bauxita y se utiliza en una amplia gama de aplicaciones industriales y de consumo. Su capacidad para ser fundido y moldeado en diversas formas lo hace valioso en la fabricación de componentes de aeronaves, envases, automóviles, ventanas y muchas otras aplicaciones. Carbón Mineral: El carbón mineral es una sustancia orgánica compuesta principalmente de carbono y se encuentra en forma de roca sedimentaria. Se considera un material porque se utiliza como fuente de energía, especialmente en la generación de electricidad y como materia prima en la fabricación de acero y otros productos químicos. Tiene propiedades de combustión que lo hacen adecuado para la producción de calor y energía. Coltán: El coltán es un material compuesto por columbita y tantalita, minerales que contienen niobio y tantalio, metales que tienen propiedades únicas en términos de resistencia al calor y a la corrosión. Se considera un material valioso debido a su uso en la fabricación de dispositivos electrónicos, especialmente en la producción de condensadores y componentes electrónicos de alta tecnología. Sus propiedades eléctricas y térmicas lo hacen esencial en la industria de la electrónica.
