En este capítulo se describen una serie de elementos químicos de naturaleza metálica cuyo uso es, en general, bastante cotidiano. El acero es sin duda el metal estrella en la actualidad. Se trata del que más se produce en el mundo con mucha diferencia y por tanto está muy presente en el día a día. También presentamos otros metales muy habituales como el aluminio, que se caracteriza por su ligereza; el titanio, que es a la vez resistente como el acero y casi tan ligero como el aluminio, especialmente apropiado para aplicaciones aeroespaciales y biomédicas; el cobre, que lo encontramos en casi todos los conductores; o el níquel, cuyas superaleaciones tienen unas propiedades excelentes a altas temperaturas. Aunque hemos visto que los metales poseen una serie de características comunes, veremos que, aun así, hay algunos que tienen unas propiedades muy singulares, como el oro, un metal nativo muy estable que es muy difícil de oxidar; el wolframio y los metales refractarios, que son capaces de soportar temperaturas muy extremas; o el litio, el metal más ligero que hoy todo el mundo lleva en su bolsillo ya que es fundamental para construir las baterías tan eficientes de los teléfonos móviles.

En el capítulo precedente hemos introducido varios metales y algunas de las aleaciones de uso común. Hemos visto que cada uno de los casos presentados se caracterizaba por una serie de propiedades singulares mientras que otras eran comunes por el hecho de tratarse de materiales metálicos. En este nuevo capítulo vamos a presentar otros materiales metálicos que tienen características mucho más especiales y sorprendentes. Evidentemente pueden resultar mucho menos familiares, ya que son más recientes y las aplicaciones de están aún en fase de desarrollo, pero gracias a los conceptos que se han ido introduciendo a lo largo del capítulo anterior estaremos en disposición de abordar estos nuevos materiales como son las aleaciones con memoria de forma, capaces de recuperar su configuración inicial después de haber sido sometidas a deformaciones plásticas, los potentes imanes de neodimio, los refrigeradores de gadolinio o las aleaciones de alta entropía, que fueron sintetizadas por primera vez en 2004 y pueden dar lugar a nuevas aleaciones metálicas con propiedades inusuales. En este capítulo también incluiremos materiales metálicos que han servido para asentar y descubrir nuevos conceptos en física y química, como es el caso del uranio, gracias al que se descubrió la radioactividad natural, la fisión nuclear o los elementos actínidos sintéticos completando la tabla periódica que conocemos hoy en día; los vidrios metálicos, que carecen de simetría de largo alcance y no son cristalinos, como los vidrios cerámicos o muchos polímeros; o los cuasicristales, unas aleaciones tan peculiares que hubo que redefinir el concepto de sólido cristalino, ya que poseen disposiciones atómicas con simetría pero sin periodicidad.

Junto a los metales y los polímeros, las cerámicas constituyen la tercera gran familia en que se clasifican los materiales de ingeniería. Se trata de compuestos inorgánicos que contienen elementos tanto no metálicos o semimetálicos (C, N, O, Si) como metálicos (Al, Fe, Ti, Mg…). Pueden ser naturales o sintéticas. Sus campos de aplicación son muy vastos porque estos materiales tienen muy variadas estructuras (cristalinas, amorfas, mixtas; porosas, no porosas) y buenas propiedades de aislamiento eléctrico y térmico, dureza, elevado punto de fusión, resistencia química, resistencia a la compresión, al desgaste y a la corrosión. Uno de sus inconvenientes es, en general, la fragilidad. Una gran subfamilia de las cerámicas es la de los silicatos, que son los que se tratan en este primer tema.

Los silicatos se basan en el dióxido de silicio, SiO₂. Con este compuesto se pueden fabricar vidrios muy transparentes y térmicamente resistentes, que son los primeros materiales de los que se habla. Después se presentan los tipos de silicatos según su estructura y se abordan dos de ellos: el caolín y la porcelana. A continuación se explican las propiedades de varios tipos de vidrios (bioactivos, reforzados químicamente, fotocromáticos, fotosensibles, microesferas) y de un material que tiene mezcla de vidrio y de cristal: la vitrocerámica. Se tratan también los métodos de creación de gemas artificiales y de dos tipos de estructuras porosas de gran utilidad técnica: las zeolitas (con especial atención a la clinoptilolita) y las sílices mesoporosas ordenadas.

Todas las cerámicas presentadas en el capítulo anterior son de la familia de los silicatos. Pero hay otros materiales cerámicos de tanta o más importancia tecnológica que tienen una química muy diferente a la basada en los tetraedros SiO₄^4–. El silicio también puede estar presente en estas otras cerámicas, como el nitruro o el carburo de silicio, materiales ambos de gran dureza. Este carburo se puede sintetizar químicamente a partir de Si y C, pero también se fabrica con madera en la que se infiltra silicio; se trata del carburo de silicio biomórfico, útil en implantes óseos. Otros elementos químicos también forman cerámicas de alto valor técnico. Por ejemplo el circonio, que se encuentra en la circonita (sustitutivo del diamante) o en titanato-circonatos piezoeléctricos, que encuentran gran variedad de aplicaciones. En la composición de estos materiales, como lo denota su nombre, también participa el titanio, elemento muy abundante en la naturaleza en forma de TiO₂, óxido que también tiene muchas aplicaciones industriales, siendo la fuente principal de los pigmentos blancos. Se dedican también apartados al óxido de aluminio, que en su variedad de rubí permitió la invención de los rayos láser, a las ferritas que se usan como filtros electrónicos y a los haluros metálicos o metal-orgánicos con estructura de perovskita que se están aplicando con éxito para fabricar nuevos tipos de células fotovoltaicas. 

Una macromolécula es una molécula de peso molecular muy alto que se crea mediante la unión de otras más pequeñas. Los materiales que llamamos polímeros están formados básicamente de cadenas macromoleculares, en muchos casos enlazadas unas con otras. Muchos polímeros son de naturaleza orgánica. Los organismos vivos contienen polímeros o macromoléculas naturales de variados tipos (ácidos nucleicos, proteínas, polisacáridos) que cumplen importantes funciones fisiológicas. Pero en este tema nos vamos a centrar en polímeros orgánicos artificiales, y más concretamente en los formados exclusivamente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, que podríamos denominar polímeros CHON, por usar un acrónimo conocido en bioquímica[1]. Todos ellos pueden ser considerados como plásticos en el sentido de que son muy maleables, es decir, que pueden deformarse sin romperse. Hemos elegido algunos plásticos que por sus notables propiedades son materiales de gran utilidad tanto en el uso cotidiano como en aplicaciones ingenieriles muy especializadas.

[1] CHON. Wikipedia. https://es.wikipedia.org/wiki/CHON.

Cuando se habla de polímeros se suele pensar en largas cadenas de átomos de carbonos, con o sin ramificaciones. Pero el carbono no es el único elemento que puede formar este tipo de estructuras. Lo hacen también el azufre, el selenio o el silicio en solitario, y asimismo el silicio junto al oxígeno (polisiloxano), el silicio con el nitrógeno (polisilazanos), el nitrógeno con el fósforo (polifosfacenos), o el azufre junto al nitrógeno (politiazoles). A todos ellos se les denominan polímeros inorgánicos para diferenciarlos de los orgánicos, que son los basados en carbono. También existen polímeros híbridos, en el sentido de que, aunque sus cadenas principales son inorgánicas, de ellas salen ramificaciones orgánicas. Es el caso, por ejemplo, de la gran variedad de siliconas (polisiloxanos sustituidos) existentes. No se adscriben a esta categoría, sin embargo, estructuras poliméricas inorgánicas minerales muy reticuladas como los silicatos (cerámicas). En general, los polímeros inorgánicos tienen propiedades diferentes a los orgánicos. Este tema se dedica también a las redes metaloorgánicas, que son polímeros de compuestos de coordinación, y a las redes orgánicos covalentes.

En este capítulo se discutirán varios ejemplos de materiales compuestos que, como hemos indicado, son aquellos que están constituidos por la unión de dos o más fases pertenecientes a grupos distintos o cuya naturaleza es claramente diferente. Es decir, en general están constituidos por la combinación de metales, polímeros o cerámicas con el fin de conseguir un nuevo material cuyas propiedades superen a las de los materiales originales por separado. Hay materiales compuestos que resultan muy habituales en la vida cotidiana, como es el caso del hormigón, que se usa prácticamente en todas las construcciones modernas. Otros tipos incluyen materiales poliméricos que contienen fibras que actúan como refuerzos para mejorar sus propiedades mecánicas, siendo las fibras de carbono y las de vidrio las más empleadas en la actualidad. También presentaremos otros ejemplos en los que la matriz del material es de naturaleza metálica y otros menos convencionales. Por último, analizaremos algunos dispositivos cuya función es más compleja y se consigue gracias a la combinación de distintos tipos de materiales, como pueden ser los dispositivos semiconductores como el transistor o los diodos emisores de luz o el catalizador de tres vías, un elemento obligatorio en todos los vehículos de motor y que está constituido por distintos materiales dispuestos de una forma muy peculiar que permiten la eliminación de gases nocivos para el ambiente. En este sentido la investigación en ciencia de materiales y en los métodos de producción ha sido clave para el desarrollo de estas tecnologías.

Los materiales que han usado los seres humanos desde siempre han sido, lógicamente, los que encontraban en la naturaleza. Se han vestido con tejidos hechos con fibras, han construido con madera, barro y piedra, han usado el cuero en muchísimas aplicaciones (como el calzado) e incluso los pueblos que tenían acceso al caucho encontraron para este material algunos usos. Con el paso del tiempo, y sobre todo desde la Revolución Industrial, los materiales naturales dejaron paso a materiales sintéticos, con mejores propiedades. Pero recientemente la experiencia ha demostrado que los materiales sintéticos también tienen graves inconvenientes (piénsese en los plásticos y en los problemas ambientales que crean), por lo que se han vuelto los ojos hacia los naturales, ya sea para usarlos casi como los produce la naturaleza, para mejorarlos o para darles aplicaciones completamente nuevas (como el uso de fibra de bambú como soporte de supercondensadores). Además, el ser humano se ha inspirado en la naturaleza para crear materiales como piedra, caucho, cuero o marfil artificiales.  

En este último capítulo incluimos una serie de materiales descubiertos o desarrollados recientemente, la mayoría a finales del XX o incluso principios del XXI. Por su naturaleza química sería muy complicado clasificarlos en alguno de los grupos clásicos de ciencia de materiales que hemos ido introduciendo a lo largo del libro (metálicos, cerámicos, poliméricos o compuestos). Muchos de estos materiales no son realmente tan novedosos desde el punto de vista químico, sino que su novedad radica en cómo se procesan o sintetizan para dar lugar a materiales con propiedades físicas y químicas fascinantes muy distintas de las de los materiales ya conocidos.

Buen ejemplo de ello son las nuevas formas alotrópicas del carbono como los fullerenos, los nanotubos o el grafeno, que se describirán siguiendo ese orden cronológico. De modo que, pese a que el carbono se conocía desde tiempos antiguos en sus formas cristalinas (grafito y diamante) y amorfa (carbón), las formas alotrópicas de baja dimensionalidad habían pasado desapercibidas durante muchísimo tiempo.

El descubrimiento, ya en el siglo XXI, de materiales puramente bidimensionales estables ha sido una verdadera revolución en ciencia de materiales y una parte importante de la comunidad científica se dedica a sintetizar y caracterizar nuevos materiales planos o casi planos, como el nitruro de boro o los dicalcogenuros de algunos metales de transición como Mo o W.

En general, los materiales descritos en este capítulo se han obtenido gracias a los avances en nanotecnología, una rama de la ciencia de marcado corte interdisciplinar que, en última instancia, permite la manipulación de la materia a escala nanométrica. En gran medida esto ha sido posible gracias a las nuevas técnicas de caracterización como las microscopías electrónicas (de barrido y transmisión), de efecto túnel o de fuerzas atómicas entre otras, y a nuevas técnicas de síntesis de capas finas como el crecimiento epitaxial mediante haces moleculares o la nanolitrografía.

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/ ).