Materiales cerámicos

La industria de la cerámica es la industria más antigua de la humanidad, nace en el neolítico (7000a.C - 4000a.C) y desde entonces ha estado muy ligada a la historia de la humanidad.

La alfarería es el termino que se le da la cerámica primitiva que surgió independientemente en Egipto, Asia menor, Creta, Grecia y América donde surgieron los primeros utensilios cerámicos estos eran blandos, poco cosidos y muy frágiles.

Según las teorías difusionistas, los primeros pueblos que iniciaron la elaboración de utensilios de cerámica con técnicas más sofisticadas y cociendo las piezas en hornos fueron los chinos. Desde China pasó el conocimiento hacia Corea y Japón por el Oriente, y hacia el Occidente, a Persia y el norte de África hasta llegar a la Península Ibérica. En China se utilizaba una arcilla blanca muy pura, el caolín, para elaborar porcelana, mientras que en Occidente estas arcillas eran difíciles de encontrar.

PROPIEDADES 

Los materiales cerámicos son generalmente frágiles o vidriosos. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad, dado que tienden a ser materiales porosos. Los poros y otras imperfecciones microscópicas actúan como entallas o concentradores de esfuerzo, reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados.

Estos materiales muestran deformaciones plásticas. Sin embargo, debido a la rigidez de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para dislocaciones de movimiento y la deformación ocurre de forma muy lenta. Con los materiales no cristalinos (vidriosos), la fluidez viscosa es la principal causa de la deformación plástica, y también es muy lenta. Aun así, es omitido en muchas aplicaciones de materiales cerámicos. Tienen elevada resistencia a la compresión si la comparamos con los metales incluso a temperaturas altas (hasta 1500 °C). Bajo cargas de compresión las grietas incipientes tienden a cerrarse, mientras que bajo cargas de tracción o cizalladura las grietas tienden a separarse, dando lugar a la fractura.

Una propiedad importante es el mantenimiento de las propiedades mecánicas a altas temperaturas. Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como puntas cortantes de herramientas.

TIPOS DE MATERIALES CERAMICOS

Dependiendo de la naturaleza y tratamiento de als materias primas y del proceso de cocción, se distinguen dos grandes grupos de materiales cerámicos: las cerámicas gruesas y las cerámicas finas.

Materiales cerámicos porosos o gruesos. No han sufrido vitrificación, es decir, no se llega a fundir el cuarzo con la arena debido a que la temperatura del horno es baja. Su fractura (al romperse) es terrosa, siendo totalmente permeables a los gases, líquidos y grasas. Los más importantes:

• Arcilla cocida: de color rojiza debido al óxido de hierro de las arcillas empleadas. La temperatura de cocción es de unos 800ºC. A veces, la pieza se recubre con esmalte de color blanco (óxido de estaño) y se denomina loza estannífera. Con ella se fabrican: baldosas, ladrillos, tejas, jarrones, cazuelas, etc.

• Loza italiana: Se fabrica con arcilla entre amarilla-rojiza mezclada con arena, pudiendo recubrirse de barniz transparente. La temperatura de cocción ronda los1000ºC. Se emplea para fabrijar vajillas baratas, adornos, tiestos....

• Loza inglesa: Fabricada de arcilla arenosa a la cual se le ha eliminado el óxido de hierro y se le ha añadido silex, yeso, feldespato (bajando el punto de fusión de la mezcla) y caolín para mejorar la blancura de la pasta. Se emplea para vajillay objetos de decoración.La cocción se realiza en dos fases:

1. Se cuece a unos 1100ºC. tras lo cual se saca del horno y se recubre con esmalte.
2. Se introduce de nuevo en el horno a la misma temperatura

• Refractarios: Se fabrican a partir de arcillas mezcladas con óxidos de aluminio, torio, berilio y circonio. La cocción se efectúa entre los 1.300 y los 1.600 °C, seguidos de enfriamientos muy lentos para evitar agrietamientos ytensiones internas. Se obtienen productos que pueden resistir temperaturas de hasta 3.000 °C. Las aplicaciones más usuales son: ladrillos refractarios (que deben soportar altas temperaturas en los hornos) y electrocerámicas (usados en automoción, aviación....

Materiales cerámicos impermeables o finos: en los que se somenten a temperaturas suficientemente altas como para vitrificar completamente la arena de cuarzo. Así, se obtienen productos impermeables y más duros. Los más importantes son:

• Gres cerámico común: obtenido a partir de arcillas ordinarias, sometidas a temperaturas de unos 1.300 °C. Es muy empleado en pavimentos y paredes.

• Gres cerámico fino: Obtenido a partir de arcillas conteniendo óxidos metálicos a las que se le añade un fundente (feldespato) para bajar el punto de fusión. Más tarde se introducen en un horno a unos 1.300 °C. Cuando esta a punto de finalizar la cocción, se impregnan los objetos de sal marina que reacciona con la arcilla formando una fina capa de silicoalunminato alcalino vitrificado que confiere al gres su vidriado característico. Se emplea para vajillas, azulejos...

• Porcelana: obtenido a partir de una arcilla muy pura, caolín, mezclada con fundente (feldespato) y un desengrasante (cuarzo o sílex). Su cocción se realiza en dos fases: una a una temperatura de entre 1.000 y 1.300 °C y, tras aplicarle un esmalte otra a más alta temperatura pudiendo llegar a los 1.800 °C. Teniendo multitud de aplicaciones en el hogar (pilas de cocina, vajillas, tazas de café, etc.) y en la industria (toberas de reactores, aislantes en transformadores, etc.).

FABRICACION

La fabricación de componentes cerámicos tiene lugar de la siguiente manera:

1. La materia prima es la arcilla. Se emplea agua, sílice, plomo, estaño y óxidos metálicos (dependiendo del tipo de cerámica).
2. Se procede a molerlos hasta conseguir un polvo finísimo o se mezcla en la proporción más adecuada.
3. Se introduce el polvo en el molde que conformará la pieza.
4. Se somete a la prensa estática (llamada así porque actúa en todas las direcciones) a presiones muy altas, hasta 3000 kilos por centímetro cuadrado.
5. Se cuece al horno a una temperatura de entre 1600 y 2000 grados centígrados. El proceso de prensado y cocción se denomina sinterización.
6. Sin embargo las piezas no salen absolutamente perfectas de la prensa y a algunas se las impone un posterior ajuste de calibración. La enorme dureza del material se convierte ahora en un inconveniente, ya que solo se puede utilizar el diamante en su tallado. Incluso con este tipo de herramientas la remecanización resulta lenta y trabajosa y desgaste rápidamente el utillaje, lo que encarece notablemente los costes. Como alternativa se está investigando nuevos métodos de tratamiento de las superficies cerámicas basado en ultrasonidos.
7. La última fase del proceso de fabricación es el control de calidad.

Cristales líquidos

En 1888, el botánico austriaco, Friedrich Reinitzer, durante sus investigaciones con fines industriales sobre las reacciones del benzoato de colesteril, se dio cuenta de que a 145,5 grados centígrados esta sustancia no cambiaba a un líquido claro, sino a un fluido turbio. Y al calentarlo a 178,5 grados se tornaba a líquido claro. Así demostró que esta sustancia tenía dos puntos de fusión.

Un año después, en 1889, el físico alemán Otto Lehmann descubrió que, en la fase opaca, el benzoato de colesteril presentaba zonas de estructura molecular cristalina. Fue éste quien los denominó «cristales líquidos».

PROPIEDADES

La principal característica de estos compuestos es que sus moléculas son altamente anisótropas en su forma, pueden ser alargadas, en forma de disco u otras más complejas como forma de piña. A diferencia de los cristales (orientación a largo alcance y posiciones ordenadas a largo alcance), los CL tienen una orientación a largo alcance, pero posiciones ordenadas a corto alcance. Además, contienen intrínsecas propiedades físicas anisótropas. En función de esta forma el sistema puede pasar por una o más fases intermedias (mesofases) desde el estado cristalino hasta el líquido. En estas mesofases el sistema presenta propiedades intermedias entre un cristal y un líquido.

Los cristales líquidos son sustancias que comparten características de los líquidos y los sólidos. En un líquido, todas las moléculas pululan de forma desordenada y sin una posición fija. Por otra parte, en un sólido las moléculas se encuentran pegadas unas a otras de forma rígida, pero siguiendo algún patrón en el que se encuentran ordenadas.

Los LC tienen tal cantidad de propiedades que los hacen óptimos para multitud de aplicaciones. Por ejemplo, sus propiedades químicas hacen que los dividamos en termotrópicos (transiciones dependientes de cambios de temperatura) y liotrópicos (transiciones dependientes del solvente en el que están disueltas). Aunque su principal atractivo reside en sus asombrosas propiedades ópticas. La asimetría molecular de los cristales líquidos tiene una consecuencia muy importante. La disposición de los núcleos y los electrones sigue una distribución compleja dentro de la molécula. Es necesario tener en cuenta que las moléculas tienen libertad de movimiento, de este modo, cuando se acercan distancias comparadas con las dimensiones moleculares, las nubes electrónicas son las primeras en entrar en contacto sufriendo una fuerza intermolecular repulsiva. Esta repulsión no sólo produce el alejamiento de las moléculas sino que también provoca el desplazamiento relativo de las nubes electrónicas respecto a sus núcleos. Podemos considerar esta distribución como la de un dipolo eléctrico, cuyo eje coincide con el eje largo de la molécula. Así podemos decir que la molécula de cristal líquido crea un campo a su alrededor induciendo la formación de dipolos en las moléculas vecinas. Las moléculas se situarán a una distancia en la que las fuerzas atractivas y repulsivas estén equilibradas de modo que la configuración relativa de las moléculas sea la más estable y la más favorable desde un punto de vista energético. Por lo tanto, es de esperar que las moléculas tiendan a adoptar una configuración en la que mantengan sus ejes dipolares paralelos o planos característicos paralelos.

APLICACIONES

Los cristales líquidos se encuentran un amplio uso en pantallas, que dependen de las propiedades ópticas de ciertas sustancias cristalinas líquidas en la presencia o ausencia de un campo eléctrico. En un dispositivo típico, una capa de cristal líquido (típicamente 10 m de espesor) se encuentra entre dos polarizadores s que se cruzan ( orientado a 90 º entre sí ). La alineación de cristal líquido se elige de manera que su fase relajada se entrelace. Esta fase trenzado reorienta la luz que ha pasado a través del primer polarizador, lo que permite su transmisión a través del segundo polarizador ( y se refleja de vuelta al observador si se proporciona un reflector). Así pues, el dispositivo aparece transparente. Cuando un campo eléctrico se aplica a la capa de LC, los ejes moleculares largas tienden a alinearse en paralelo al campo eléctrico por lo tanto se crea una destorsión gradual en el centro de la capa de cristal líquido. En este estado, las moléculas de cristal líquido no se reorientan la luz, por lo que la luz polarizada en el primer polarizador se absorbe en el segundo polarizador, y el dispositivo pierde la transparencia al aumentar el voltaje. De esta manera, el campo eléctrico puede ser utilizado para hacer un interruptor de píxeles entre transparente u opaco. Sistemas de LCD de color utilizan la misma técnica, con filtros de color utilizados para generar color rojo, verde y azul. Los láseres de cristal liquido mediante un cristal líquido en el medio láser estableciéndolo como si fuera un mecanismo de retroalimentación distribuida en lugar de los espejos exteriores. Emisión en una cristal fotónico creado por la estructura dieléctrica periódica del cristal líquido, lo cual, proporciona un dispositivo de alto rendimiento con emisión monocromática estable.

El vidrio inteligente es un polímero dispersado en dispositivos de cristal líquido mediante hojas y rollos disponibles respaldados por un adhesivo (también llamado película inteligente), que se puede aplicar a ventanas y mediante manipulación eléctrica permite elegir entre transparente y opaco proporcionando una privacidad deseada según se desee.

Muchos fluidos comunes, como el jabón, son, de hecho, cristales líquidos. El jabón forma una variedad de fases LC dependiendo de su concentración en el agua.

Fullerenos

El fullereno es la tercera forma molecular más estable del carbono, tras el grafito y el diamante. Fueron descubiertos por primera vez en 1985 por los investigadores R. Curl, H. Kroto y R. Smalley, aunque su existencia ya fue predicha en 1965. Los fullerenos son moléculas con formas esferoidales que contienen desde 32 hasta 960 átomos de carbono sólidos moleculares, muy estables, ya que no poseen enlaces libres, y que dan lugar a sólidos moleculares blandos. El arquetipo de estas moléculas es la denominada buckminsterfullereno, buckybola o futboleno, de fórmula C60.

PROPIEDADES

Desde su descubrimiento, las propiedades químicas y físicas de los fulerenos todavía continúan bajo un intenso estudio. Entre las propiedades físicas más relevantes se encuentra el gap de energía entre el orbital ocupado de más alta energía (HOMO) y el orbital desocupado de menor energía (LUMO), cuya medida es ca. 1.7 eV. La simetría del estado base del fulereno C60 corresponde al grupo puntual Ih. En esta simetría los orbitales HOMO y LUMO están cinco y tres veces degenerados, hu y t1u respectivamente. Debido a este hecho, transiciones electrónicas desde HOMO a LUMO están prohibidas por simetría. El fulereno C60 presenta 174 modos normales de vibración (3N - 6, donde N = 60 átomos de carbono) en la región del infrarrojo. No obstante, solo cuatro modos normales son activos.
Los fullerenos no son muy reactivos debido a la estabilidad de los enlaces tipo grafito, y son también muy poco solubles en la mayoría de disolventes. Entre los disolventes comunes para los fullerenos se incluyen el tolueno y el disulfuro de carbono.
El fullereno es la única forma alotrópica del carbono que puede ser disuelta.
Aunque se piensa que las buckyesferas son en teoría relativamente inertes, una presentación dada a la Sociedad Química Estadounidense en marzo de 2004 y descrita en un artículo publicado en la revista New Scientist el 3 de abril de 2004, sugiere que la molécula es perjudicial para los organismos. Un experimento llevado a cabo por Eva Oberdörster en la Southern Methodist University, en el que introdujo fullerenos en agua en concentraciones de 0,5 partes por millón, mostró que un pez (Micropterus salmoides) "Black Bass" sufrió un daño celular en el tejido cerebral 17 veces superior, 48 horas después. El daño consistía en una peroxidación lipídica a nivel de la membrana celular, lo que deteriora el funcionamiento de ésta. Se produjeron también inflamaciones en el hígado y la activación de genes relacionados con la síntesis de enzimas reparadoras.

APLICACIONES

Tienen muchas aplicaciones en la física, en la química, en la industria y en la medicina.
Un ejemplo es la superconductividad, en donde, al introducir un metal alcalino como el potasio dentro de cristales de C60, fundiéndolos, y luego enfriándolos a una temperatura cercana de 18ºK logran una resistencia eléctrica de cero, por la causa de que los electrones extra que el compuesto gana por la pérdida del electrón del metal alcalino, esto debido a que el complejo de los fullerenos puede aceptar electrones, pero difícilmente cederlos.
En la química se pueden usar para aislar átomos de otros elementos dentro de las esferas de los Fullerenos para conservarlos.
Igualmente existe la combinación de polímeros con C60logrando aumentar su resistencia, dureza y aligerar enormemente su peso, o creando lubricantes ideales en donde la fricción es mínima. En la industria se les esta dando uso para crear paneles solares orgánicos, o baterías con mas superficie entre las moléculas de los reactivos para almacenar mayor cantidad de carga, se basan en una doble capa de materiales orgánicos que donan y aceptan electrones, como en lo antes mencionado, se pueden usar fullerenos, principalmente C60y C20, debido a su buena capacidad para aceptar electrones.
En la medicina se usan como antioxidantes, en donde los compuestos con Fullerenos se usan para atrapar radicales libres, creando así antioxidantes, al igual que como antivirales, donde estos compuestos son capaces de incorporarse a los virus y desactivarlos.
Aunque los Fullerenos han demostrado ser tóxicos cuando son ingeridos, probándose primero en peces, los cuales murieron de daño celular en el tejido cerebral, al igual que una inflamación en el hígado.

Biomateriales

Los biomateriales son sustancias naturales o sintéticas cuya misión es reemplazar una parte o alguna función de nuestro organismo, de forma segura y fisiológicamente aceptable, se pueden clasificar de diversas formas: según su composición química, en biometales, biopolímeros, biocerámicos, biocompuestos y semiconductores; según su origen, en naturales y sintéticos.

PROPIEDADES

En términos médicos un biomaterial es un compuesto farmacológicamente inerte

En realidad son muy pocos los materiales biocompatibles que son aceptados por todo cuerpo, de ahí que no pueda clasificarse un material como tal de forma definitiva. Algunos de los materiales biocompatibles más comunes son el titanio para implantes o el acero.

diseñado para ser implantado o incorporado dentro del sistema vivo. En este sentido el biomaterial se implanta con el objeto de sustituir o regenerar tejidos vivientes y sus funciones.

APLICACIONES

La prótesis total de cadera
La solución para este tipo de fracturas, y enfermedades como la artritis, entre otras, puede ser una prótesis total de cadera vista en el inciso b). Esta articulación está formada por una copa acetabular (UHMWPE, Co-Cr, Al2O3, ZrO2), la cual se fija en la pelvis y sirve como asiento para una esfera cuyo vástago (Co-Cr, 316LQ, Ti6Al4V) es empotrado en el fémur. Los dos elementos artificiales restauran el sistema articular tipo rótula, con el cual el paciente puede volver a caminar.
Implante de rodilla
El reemplazo de rodilla es uno de los avances más importantes en la cirugía ortopédica, y fue realizado por primera vez en el año 1968.
Válvulas de corazón
El corazón es una parte vital de la anatomía humana, dado que es una bomba de recirculación de la sangre a través del cuerpo. Las válvulas del corazón permiten que éste bombee sangre eficientemente. Estas válvulas son propensas a fallar por enfermedades; sin embargo, pueden ser sustituidas por las válvulas prostéticas artificiales.
as válvulas mecánicas son excelentes en términos de durabilidad, pero son obstaculizadas por su tendencia a coagular la sangre. Las válvulas biológicas son de menor durabilidad y se deben sustituir periódicamente.
Implantes dentales
El surgimiento de los implantes dentales ha influenciado grandes cambios en la odontología clínica en la segunda mitad del siglo XX.
Mediante técnicas quirúrgicas específicas, es posible reemplazar piezas dentales perdidas, por otras sintéticas, con las mismas funciones y gran duración.
La prótesis consta de tres partes fundamentales, llamadas corona, perno o muñón, que soportará a la corona y el implante propiamente dicho que reemplazará la raíz del diente.
Espina dorsal
El primer procedimiento quirúrgico por un disco herniado torácico fue reportado por Middleton y Teacher en 1911.
Desde los años 1930 hasta la actualidad, se emplea el material metálico en prótesis en las cirugías.
En 1966 se hizo la primer cirugía con prótesis, substituyendo un disco cervical.