Ya hemos adelantado que la ciencia de materiales surge de una forma natural para aplicar los conocimientos de la física, la química y otras disciplinas en el diseño de nuevos materiales con unas determinadas propiedades a través del conocimiento profundo de la relación entre la estructura (a distintas escalas) y las propiedades. En este sentido, la ciencia de materiales resulta una disciplina con una componente aplicada muy fuerte, tanto que a veces es difícil diferenciar entre ciencia e ingeniería de materiales. Además, viene marcada claramente por una dimensión antropológica ya que responde a una necesidad natural de la sociedad.
Desde tiempos antiguos, el desarrollo y la evolución de las sociedades han estado supeditados a la capacidad de sus integrantes para producir y conformar aquellos materiales necesarios para satisfacer sus necesidades. Tanto es así, que a menudo se clasifican los periodos históricos según el material preponderante en aquella época (la Edad de Piedra, la Edad del Bronce, la Edad del Hierro, etc.)[1]. Esta importancia histórica no ha decaído en absoluto en la actualidad, sino más bien todo lo contrario ya que, pese a los enormes progresos científicos y técnicos que atañen al desarrollo de nuevos materiales, cada vez se requieren materiales más sofisticados y especializados para cumplir las exigencias de las sociedades actuales, inmersas en una era tecnológica sin precedentes.
La mayoría de las monografías en ciencia de materiales señalan que esta disciplina se enfoca en estudiar cuatro aspectos que están íntimamente relacionados: (i) la estructura (a veces incluyendo la composición), (ii) la síntesis y el procesado, (iii) las propiedades y (iv) y el desempeño o la aplicación. Estos aspectos están tan ligados que a menudo se representan gráficamente en los vértices de un tetraedro. El conocimiento de estos cuatro frentes interrelacionados es lo que le permite a la ciencia de materiales desarrollar nuevos materiales para futuras aplicaciones. Ahora pasamos a desarrollar cada uno de estos aspectos por separado siguiendo la figura 1.3.
La estructura y la composición son algo fundamental a conocer en un material independientemente de su aplicación posterior, como veremos en los múltiples ejemplos que se presentan en este libro. La estructura puede caracterizarse a distintas escalas, empezando por la atómica, viendo de qué tipo de átomos está constituido el material, pasando por el tipo de enlace químico, como discutimos en el apartado anterior, o a nivel cristalográfico aprovechando las propiedades periódicas que permiten trabajar con una sola celda unidad. Por encima de esta escala atómica, tenemos la nanoescala, que es a la que se puede acceder por métodos directos por medio de algunas técnicas de caracterización de materiales como la microscopía electrónica (de transmisión y de barrido), la microscopía de efecto túnel o la microscopía de fuerzas atómicas. A esta escala se permite distinguir lo que ocurre sobre una superficie o caracterizar partículas muy pequeñas. Ya a nivel de la microscopía óptica se habla de microestructura, que es la que abarca desde los cientos de nanómetros hasta los milímetros y permite extraer mucha información sobre el tipo de procesado que ha sufrido un determinado material. Finalmente se habla de macroescala cuando el ojo humano puede distinguir el material a simple vista sin necesidad de utilizar ninguna técnica de caracterización; va desde pocos milímetros hasta metros.
Las propiedades, que las precisaremos en el próximo apartado, son un conjunto de características físicas y químicas que determinan cómo responde un material a una serie de perturbaciones o agentes externos. Por ejemplo, las propiedades mecánicas detallan cómo el material sufre una serie de ensayos normalizados en los que se aplican fuerzas y tensiones que provocan deformaciones; las propiedades eléctricas determinan cómo se comporta el material bajo la influencia de campos eléctricos; y asimismo tenemos las propiedades magnéticas, las ópticas, etc. Es necesario conocer las propiedades de un material en profundidad para buscarle sus aplicaciones idóneas. Por ejemplo, el acero tiene una gran resistencia mecánica y es barato, por lo que es uno de los principales materiales estructurales; el cobre presenta una conductividad eléctrica muy alta, lo que lo hace idóneo para fabricar cables conductores de la corriente eléctrica; el wolframio tiene un punto de fusión muy elevado, por lo que es ideal para los filamentos de las bombillas; etc.
La síntesis y el procesado son otros aspectos fundamentales que determinan decisivamente las propiedades finales de un material; incluso una misma sustancia sometida a procesamientos diferentes puede dar lugar a materiales con propiedades significativamente distintas. Pensemos por ejemplo en el aluminio, que se usa comúnmente en forma de láminas muy finas para envolver objetos o preservar alimentos o como material estructural en barandillas y balcones. Poco tiene que ver el papel de aluminio con el barrote de un balcón pese a tener exactamente la misma composición. La diferencia está en que el procesado, que afecta tanto a las propiedades como a la microestructura, hace que el producto final sea muy distinto y con aplicaciones diferentes. El procesado de materiales consta de una serie de técnicas (extrusión, moldeo, mecanizado, sinterización, laminado, etc.) que suelen ser adecuadas para un determinado tipo de materiales. La aplicación final o el desempeño del objeto fabricado condicionan fuertemente el procesamiento de los materiales empleados.
Por último, tenemos las aplicaciones o el desempeño, que son los aspectos más ingenieriles de los cuatro, ya que aquí se valoran otras cuestiones que a veces transcienden a la ciencia de materiales, como pueden ser el coste u otros factores económicos, el marketing y la publicidad o la viabilidad a escala industrial de un sistema de producción. Es obvio que a veces existen materiales muy adecuados para una determinada aplicación, pero el coste del propio material o del procesado posterior hace completamente inviable su implantación en aplicaciones cotidianas. Un ejemplo paradigmático de esto es el del silicio, que es la base de la tecnología actual. Todos los dispositivos electrónicos están hechos, en una parte importante, de silicio, habiendo otros semiconductores con propiedades mejores, pero el bajo coste relativo del silicio junto a su fácil procesamiento (apartado 2.10) hace que ningún otro material pueda competir con él hoy día en aplicaciones a gran escala, ya que el rendimiento del silicio para los usos requeridos es completamente satisfactorio.
No obstante, hay que señalar que esta situación es extremadamente cambiante, dada su complejidad. El uso de determinados materiales está regulado por normativas estatales y regionales debido a su toxicidad o impacto ambiental y la disponibilidad de las materias primas está sujeta a inestabilidades debido a factores socioeconómicos o incluso a las propias mejoras científicas y tecnológicas. Por ejemplo, hace tan solo unos años, las baterías de los teléfonos y otros dispositivos de uso común empleaban níquel y cadmio como elementos principales, mientras que actualmente están en desuso en favor de baterías que han sustituido el cadmio por un hidruro metálico o por ion litio. Este cambio relativamente rápido en estos materiales ha sido propiciado por los esfuerzos internacionales de moderar el consumo de cadmio, que es sumamente tóxico, y por el desarrollo de una tecnología superior que ha alcanzado la viabilidad económica.
Atendiendo a lo explicado hasta ahora, la clasificación que hace la ciencia de materiales se basa en agrupaciones de propiedades comunes más que en aspectos más fundamentales como la simetría o el enlace químico. La clasificación típica en ciencia de materiales distingue entre materiales metálicos, cerámicos, poliméricos y compuestos.
Los materiales metálicos son los metales y sus aleaciones. Muchos autores incluyen en este grupo a los semiconductores, mientras que otros prefieren dejarlos en una categoría aparte. En general, se caracterizan por ser buenos conductores de la electricidad y del calor, una resistencia y rigidez bastante altas combinadas con una alta ductilidad que permite un procesamiento relativamente fácil.
Las cerámicas, que incluyen a los ladrillos, los vidrios, los óxidos refractarios y abrasivos así como a muchos compuestos de naturaleza inorgánica, presentan en general unas conductividades eléctrica y térmica pobres, así como una alta dureza y fragilidad.
Los materiales poliméricos son de naturaleza orgánica como los plásticos, las gomas o los adhesivos, constituidos por estructuras moleculares de gran tamaño, por lo que a menudo no son cristalinos. En general, no son buenos conductores, tienen poca resistencia mecánica y rigidez, pero pueden llegar a ser extremadamente flexibles.
Finalmente, los materiales compuestos están formados por la combinación de al menos dos fases de distinta naturaleza, referida a los grupos anteriores (por ejemplo, metálica y cerámica). A menudo hay una matriz principal y mayoritaria que se refuerza con pequeñas cantidades de otro tipo de material, con el fin de conseguir un producto final con propiedades mejores que las de las partes constituyentes por separado.
Como el presente libro sigue una clasificación general de este tipo, a lo largo de las siguientes secciones vamos a desarrollar con más detalle cómo son y qué materiales se engloban dentro de cada una de estas categorías.
[1] A este respecto, véanse los interludios históricos en R. E. Hummel. Understanding Materials Science. 2ª ed. Springer (2004).
[2] Figura adaptada de D. R. Askeland et al. The Science and Engineering of Materials. 6ª ed. Cengage Learning (2011).
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/.
