El sólido es uno de los cuatro estados fundamentales de la materia junto con el líquido , el gas y el plasma . Las moléculas de un sólido están muy juntas y contienen la menor cantidad de energía cinética. Un sólido se caracteriza por su rigidez estructural (como en los cuerpos rígidos ) y su resistencia a una fuerza aplicada a la superficie. A diferencia de un líquido, un objeto sólido no fluye para adoptar la forma de su recipiente, ni se expande para llenar todo el volumen disponible como un gas. Los átomos de un sólido están unidos entre sí, ya sea en una red geométrica regular ( sólidos cristalinos , que incluyen metales y hielo ordinario ), o de forma irregular (un sólido amorfo como el vidrio común de una ventana). Los sólidos no se pueden comprimir con poca presión, mientras que los gases sí se pueden comprimir con poca presión porque las moléculas de un gas están empaquetadas de forma suelta.
La rama de la física que estudia los sólidos se denomina física del estado sólido y es la rama principal de la física de la materia condensada (que también incluye los líquidos). La ciencia de los materiales se ocupa principalmente de las propiedades físicas y químicas de los sólidos. La química del estado sólido se ocupa especialmente de la síntesis de nuevos materiales, así como de la ciencia de la identificación y la composición química .
Los átomos, moléculas o iones que forman los sólidos pueden estar dispuestos siguiendo un patrón ordenado que se repite, o de forma irregular. Los materiales cuyos constituyentes están dispuestos siguiendo un patrón regular se conocen como cristales . En algunos casos, el orden regular puede continuar ininterrumpido a gran escala, por ejemplo, los diamantes, donde cada diamante es un monocristal . Los objetos sólidos que son lo suficientemente grandes como para verlos y manipularlos rara vez están compuestos por un solo cristal, sino que están hechos de una gran cantidad de monocristales, conocidos como cristalitos , cuyo tamaño puede variar desde unos pocos nanómetros hasta varios metros. Dichos materiales se denominan policristalinos . Casi todos los metales comunes, y muchas cerámicas , son policristalinos.
En otros materiales, no existe un orden de largo alcance en la posición de los átomos. Estos sólidos se conocen como sólidos amorfos ; algunos ejemplos son el poliestireno y el vidrio.
El carácter cristalino o amorfo de un sólido depende del material del que se trate y de las condiciones en las que se haya formado. Los sólidos que se forman por enfriamiento lento tienden a ser cristalinos, mientras que los sólidos que se congelan rápidamente tienen más probabilidades de ser amorfos. Asimismo, la estructura cristalina específica que adopta un sólido cristalino depende del material del que se trate y de cómo se haya formado.
Si bien muchos objetos comunes, como un cubo de hielo o una moneda, son químicamente idénticos en todas sus partes, muchos otros materiales comunes comprenden una serie de sustancias diferentes agrupadas. Por ejemplo, una roca típica es un agregado de varios minerales y mineraloides diferentes , sin una composición química específica. La madera es un material orgánico natural que consiste principalmente en fibras de celulosa incrustadas en una matriz de lignina orgánica . En la ciencia de los materiales, se pueden diseñar compuestos de más de un material constituyente para que tengan las propiedades deseadas.
Las fuerzas entre los átomos de un sólido pueden adoptar diversas formas. Por ejemplo, un cristal de cloruro de sodio (sal común) está formado por sodio iónico y cloro , que se mantienen unidos por enlaces iónicos . [1] En el diamante [2] o el silicio, los átomos comparten electrones y forman enlaces covalentes . [3] En los metales, los electrones se comparten en enlaces metálicos . [4] Algunos sólidos, en particular la mayoría de los compuestos orgánicos, se mantienen unidos mediante fuerzas de van der Waals resultantes de la polarización de la nube de carga electrónica de cada molécula. Las diferencias entre los tipos de sólidos resultan de las diferencias entre sus enlaces.
Los metales suelen ser fuertes, densos y buenos conductores tanto de electricidad como de calor . [5] [6] La mayor parte de los elementos de la tabla periódica , aquellos a la izquierda de una línea diagonal trazada desde el boro hasta el polonio , son metales. Las mezclas de dos o más elementos en las que el componente principal es un metal se conocen como aleaciones .
Los metales han sido utilizados por la gente desde tiempos prehistóricos para diversos fines. La resistencia y fiabilidad de los metales ha propiciado su uso generalizado en la construcción de edificios y otras estructuras, así como en la mayoría de los vehículos, muchos electrodomésticos y herramientas, tuberías, señales de tráfico y vías ferroviarias. El hierro y el aluminio son los dos metales estructurales más utilizados. También son los metales más abundantes en la corteza terrestre . El hierro se utiliza más habitualmente en forma de aleación, el acero, que contiene hasta un 2,1 % de carbono , lo que lo hace mucho más duro que el hierro puro.
Los metales son buenos conductores de electricidad, por lo que resultan muy útiles en aparatos eléctricos y para transportar corriente eléctrica a grandes distancias con poca pérdida o disipación de energía. Por ello, las redes eléctricas dependen de cables metálicos para distribuir electricidad. Los sistemas eléctricos domésticos, por ejemplo, están cableados con cobre por sus buenas propiedades de conducción y su fácil mecanización. La alta conductividad térmica de la mayoría de los metales también los hace útiles para los utensilios de cocina.
El estudio de los elementos metálicos y sus aleaciones constituye una parte importante de los campos de la química del estado sólido, la física, la ciencia de los materiales y la ingeniería.
Los sólidos metálicos se mantienen unidos por una alta densidad de electrones compartidos y deslocalizados, lo que se conoce como " enlace metálico ". En un metal, los átomos pierden fácilmente sus electrones más externos ("de valencia") , formando iones positivos . Los electrones libres se distribuyen por todo el sólido, que se mantiene unido firmemente por interacciones electrostáticas entre los iones y la nube de electrones. [7] La gran cantidad de electrones libres proporciona a los metales sus altos valores de conductividad eléctrica y térmica. Los electrones libres también impiden la transmisión de la luz visible, lo que hace que los metales sean opacos, brillantes y lustrosos .
Los modelos más avanzados de las propiedades de los metales consideran el efecto de los núcleos de iones positivos sobre los electrones deslocalizados. Como la mayoría de los metales tienen una estructura cristalina, esos iones suelen estar dispuestos en una red periódica. Matemáticamente, el potencial de los núcleos de iones se puede tratar mediante varios modelos, siendo el más simple el modelo de electrones casi libres .
Los minerales son sólidos naturales que se forman a través de varios procesos geológicos [8] bajo altas presiones. Para ser clasificado como un verdadero mineral, una sustancia debe tener una estructura cristalina con propiedades físicas uniformes en todas partes. Los minerales varían en composición desde elementos puros y sales simples hasta silicatos muy complejos con miles de formas conocidas. Por el contrario, una muestra de roca es un agregado aleatorio de minerales y/o mineraloides , y no tiene una composición química específica. La gran mayoría de las rocas de la corteza terrestre consisten en cuarzo (SiO 2 cristalino ), feldespato, mica, clorita , caolín , calcita, epidota , olivino , augita , hornblenda , magnetita , hematita , limonita y algunos otros minerales. Algunos minerales, como el cuarzo , la mica o el feldespato son comunes, mientras que otros se han encontrado solo en unos pocos lugares en todo el mundo. El grupo más grande de minerales con diferencia son los silicatos (la mayoría de las rocas son ≥95% silicatos), que están compuestos en gran parte de silicio y oxígeno , con la adición de iones de aluminio, magnesio , hierro, calcio y otros metales.
Los sólidos cerámicos están compuestos de compuestos inorgánicos, generalmente óxidos de elementos químicos. [9] Son químicamente inertes y, a menudo, son capaces de soportar la erosión química que se produce en un entorno ácido o cáustico. La cerámica generalmente puede soportar altas temperaturas que van desde 1000 a 1600 °C (1830 a 2910 °F). Las excepciones incluyen materiales inorgánicos no oxidados, como nitruros , boruros y carburos .
Las materias primas cerámicas tradicionales incluyen minerales arcillosos como la caolinita , y otros materiales más recientes incluyen óxido de aluminio ( alúmina ). Los materiales cerámicos modernos, que se clasifican como cerámicas avanzadas, incluyen carburo de silicio y carburo de tungsteno . Ambos son valorados por su resistencia a la abrasión y, por lo tanto, se utilizan en aplicaciones como las placas de desgaste de los equipos de trituración en operaciones mineras.
La mayoría de los materiales cerámicos, como la alúmina y sus compuestos, se forman a partir de polvos finos, lo que produce una microestructura policristalina de grano fino que está llena de centros de dispersión de luz comparables a la longitud de onda de la luz visible . Por lo tanto, generalmente son materiales opacos, a diferencia de los materiales transparentes . Sin embargo, la tecnología reciente a escala nanométrica (por ejemplo, sol-gel ) ha hecho posible la producción de cerámicas transparentes policristalinas , como la alúmina transparente y los compuestos de alúmina para aplicaciones como los láseres de alta potencia. Las cerámicas avanzadas también se utilizan en las industrias médica, eléctrica y electrónica.
La ingeniería cerámica es la ciencia y tecnología que se ocupa de la creación de materiales, piezas y dispositivos cerámicos en estado sólido, ya sea por acción del calor o, a temperaturas más bajas, mediante reacciones de precipitación a partir de soluciones químicas. El término incluye la purificación de materias primas, el estudio y producción de los compuestos químicos en cuestión, su formación en componentes y el estudio de su estructura, composición y propiedades.
Mecánicamente hablando, los materiales cerámicos son frágiles, duros, fuertes en compresión y débiles en cizallamiento y tensión. Los materiales frágiles pueden exhibir una resistencia a la tracción significativa al soportar una carga estática. La tenacidad indica cuánta energía puede absorber un material antes de fallar mecánicamente, mientras que la tenacidad a la fractura (denotada como K Ic ) describe la capacidad de un material con defectos microestructurales inherentes para resistir la fractura a través del crecimiento y propagación de grietas. Si un material tiene un valor alto de tenacidad a la fractura , los principios básicos de la mecánica de fracturas sugieren que lo más probable es que sufra una fractura dúctil. La fractura frágil es muy característica de la mayoría de los materiales cerámicos y vitrocerámicos que típicamente exhiben valores bajos (e inconsistentes) de K Ic .
Un ejemplo de las aplicaciones de la cerámica es la extrema dureza de la zirconia , que se utiliza en la fabricación de hojas de cuchillos y otras herramientas de corte industriales. Cerámicas como la alúmina , el carburo de boro y el carburo de silicio se han utilizado en chalecos antibalas para repeler el fuego de fusiles de gran calibre. Las piezas de nitruro de silicio se utilizan en cojinetes de bolas de cerámica, donde su alta dureza los hace resistentes al desgaste. En general, las cerámicas también son resistentes a los productos químicos y se pueden utilizar en entornos húmedos donde los cojinetes de acero serían susceptibles a la oxidación (o al óxido).
Como otro ejemplo de aplicaciones de cerámica, a principios de la década de 1980, Toyota investigó la producción de un motor cerámico adiabático con una temperatura de funcionamiento de más de 6.000 °F (3.320 °C). Los motores cerámicos no requieren un sistema de refrigeración y, por lo tanto, permiten una importante reducción de peso y, por lo tanto, una mayor eficiencia de combustible. En un motor metálico convencional, gran parte de la energía liberada del combustible debe disiparse como calor residual para evitar la fusión de las piezas metálicas. También se está trabajando en el desarrollo de piezas cerámicas para motores de turbina de gas . Los motores de turbina fabricados con cerámica podrían funcionar de manera más eficiente, lo que daría a las aeronaves un mayor alcance y una mayor carga útil para una cantidad determinada de combustible. Sin embargo, estos motores no se fabrican porque la fabricación de piezas cerámicas con la precisión y durabilidad suficientes es difícil y costosa. Los métodos de procesamiento a menudo dan como resultado una amplia distribución de defectos microscópicos que con frecuencia desempeñan un papel perjudicial en el proceso de sinterización, lo que da como resultado la proliferación de grietas y, en última instancia, un fallo mecánico.
Los materiales vitrocerámicos comparten muchas propiedades con los vidrios no cristalinos y las cerámicas cristalinas . Se forman como un vidrio y luego se cristalizan parcialmente mediante un tratamiento térmico, lo que produce fases tanto amorfas como cristalinas , de modo que los granos cristalinos quedan incrustados dentro de una fase intergranular no cristalina.
La vitrocerámica se utiliza para fabricar utensilios de cocina (originalmente conocidos por la marca CorningWare ) y placas de cocina que tienen una alta resistencia al choque térmico y una permeabilidad a los líquidos extremadamente baja. El coeficiente negativo de expansión térmica de la fase cerámica cristalina se puede equilibrar con el coeficiente positivo de la fase vítrea. En un punto determinado (~70% cristalino) la vitrocerámica tiene un coeficiente neto de expansión térmica cercano a cero. Este tipo de vitrocerámica exhibe excelentes propiedades mecánicas y puede soportar cambios de temperatura repetidos y rápidos de hasta 1000 °C.
La vitrocerámica también puede formarse de forma natural cuando un rayo cae sobre los granos cristalinos (por ejemplo, el cuarzo) que se encuentran en la mayoría de las arenas de las playas . En este caso, el calor extremo e inmediato del rayo (~2500 °C) crea estructuras huecas y ramificadas similares a raíces llamadas fulgurita mediante fusión .
La química orgánica estudia la estructura, propiedades, composición, reacciones y preparación por síntesis (u otros medios) de compuestos químicos de carbono e hidrógeno , que pueden contener cualquier número de otros elementos como nitrógeno , oxígeno y los halógenos: flúor , cloro , bromo y yodo . Algunos compuestos orgánicos también pueden contener los elementos fósforo o azufre . Ejemplos de sólidos orgánicos incluyen madera, cera de parafina , naftaleno y una amplia variedad de polímeros y plásticos .
La madera es un material orgánico natural que consiste principalmente en fibras de celulosa embebidas en una matriz de lignina . En cuanto a las propiedades mecánicas, las fibras son fuertes en tensión y la matriz de lignina resiste la compresión. Por ello, la madera ha sido un material de construcción importante desde que los humanos comenzaron a construir refugios y a utilizar embarcaciones. La madera que se utiliza para trabajos de construcción se conoce comúnmente como madera aserrada o madera de construcción . En la construcción, la madera no solo es un material estructural, sino que también se utiliza para formar el molde para el hormigón.
Los materiales derivados de la madera también se utilizan ampliamente para embalajes (por ejemplo, cartón) y papel, que se crean a partir de pulpa refinada. Los procesos de pulpa química utilizan una combinación de productos químicos alcalinos (kraft) o ácidos (sulfito) y de alta temperatura para romper los enlaces químicos de la lignina antes de quemarla.
Una propiedad importante del carbono en la química orgánica es que puede formar ciertos compuestos, cuyas moléculas individuales son capaces de unirse entre sí, formando así una cadena o red. El proceso se llama polimerización y las cadenas o redes polímeros, mientras que el compuesto fuente es un monómero. Existen dos grupos principales de polímeros: los fabricados artificialmente, denominados polímeros industriales o polímeros sintéticos (plásticos), y los que se producen de forma natural, denominados biopolímeros.
Los monómeros pueden tener varios sustituyentes químicos, o grupos funcionales, que pueden afectar las propiedades químicas de los compuestos orgánicos, como la solubilidad y la reactividad química, así como las propiedades físicas, como la dureza, la densidad, la resistencia mecánica o a la tracción, la resistencia a la abrasión, la resistencia al calor, la transparencia, el color, etc. En las proteínas, estas diferencias le dan al polímero la capacidad de adoptar una conformación biológicamente activa con preferencia a otras (ver autoensamblaje ).
La gente ha estado utilizando polímeros orgánicos naturales durante siglos en forma de ceras y goma laca , que se clasifica como un polímero termoplástico. Un polímero vegetal llamado celulosa proporcionó la resistencia a la tracción para las fibras y cuerdas naturales, y a principios del siglo XIX el caucho natural era de uso generalizado. Los polímeros son las materias primas (las resinas) que se utilizan para hacer lo que comúnmente se llama plásticos. Los plásticos son el producto final, creado después de que se hayan agregado uno o más polímeros o aditivos a una resina durante el procesamiento, que luego se moldea en una forma final. Los polímeros que han existido y que actualmente se utilizan ampliamente incluyen polietileno a base de carbono , polipropileno , cloruro de polivinilo , poliestireno , nailon, poliésteres , acrílicos , poliuretano y policarbonatos , y siliconas a base de silicio . Los plásticos generalmente se clasifican como plásticos "básicos", "especiales" y "de ingeniería".
Los materiales compuestos contienen dos o más fases macroscópicas, una de las cuales suele ser cerámica (por ejemplo, una matriz continua y una fase dispersa de partículas o fibras cerámicas).
Las aplicaciones de los materiales compuestos van desde elementos estructurales como el hormigón reforzado con acero hasta las baldosas aislantes térmicamente que desempeñan un papel clave e integral en el sistema de protección térmica del transbordador espacial de la NASA , que se utiliza para proteger la superficie del transbordador del calor de reentrada a la atmósfera terrestre. Un ejemplo es el carbono-carbono reforzado (RCC), el material gris claro que soporta temperaturas de reentrada de hasta 1510 °C (2750 °F) y protege la tapa del morro y los bordes de ataque de las alas del transbordador espacial. El RCC es un material compuesto laminado hecho de tela de rayón de grafito e impregnado con una resina fenólica . Después de curar a alta temperatura en un autoclave, el laminado se piroliza para convertir la resina en carbono, se impregna con alcohol furfural en una cámara de vacío y se cura/piroliza para convertir el alcohol furfural en carbono. Para proporcionar resistencia a la oxidación para la capacidad de reutilización, las capas externas del RCC se convierten en carburo de silicio.
Se pueden ver ejemplos domésticos de materiales compuestos en las carcasas de "plástico" de los televisores, los teléfonos móviles, etc. Estas carcasas de plástico suelen ser un compuesto formado por una matriz termoplástica, como el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), a la que se han añadido tiza de carbonato de calcio , talco , fibras de vidrio o fibras de carbono para aumentar su resistencia, volumen o dispersión electrostática. Estos aditivos pueden denominarse fibras de refuerzo o dispersantes, según su finalidad.
De esta manera, el material de la matriz rodea y sostiene los materiales de refuerzo manteniendo sus posiciones relativas. Los refuerzos imparten sus propiedades mecánicas y físicas especiales para mejorar las propiedades de la matriz. Un sinergismo produce propiedades materiales que no están disponibles en los materiales constituyentes individuales, mientras que la amplia variedad de materiales de matriz y de refuerzo proporciona al diseñador la posibilidad de elegir una combinación óptima.
Los semiconductores son materiales que tienen una resistividad eléctrica (y conductividad) entre la de los conductores metálicos y la de los aislantes no metálicos. Se pueden encontrar en la tabla periódica moviéndose en diagonal hacia abajo a la derecha desde el boro . Separan a los conductores eléctricos (o metales, a la izquierda) de los aislantes (a la derecha).
Los dispositivos fabricados con materiales semiconductores son la base de la electrónica moderna, como la radio, las computadoras, los teléfonos, etc. Los dispositivos semiconductores incluyen el transistor , las células solares , los diodos y los circuitos integrados . Los paneles solares fotovoltaicos son grandes dispositivos semiconductores que convierten directamente la luz en energía eléctrica.
En un conductor metálico, la corriente se transporta mediante el flujo de electrones, pero en los semiconductores, la corriente puede ser transportada por electrones o por los " huecos " con carga positiva en la estructura de bandas electrónicas del material. Los materiales semiconductores más comunes incluyen silicio, germanio y arseniuro de galio .
Muchos sólidos tradicionales exhiben diferentes propiedades cuando se encogen a tamaños nanométricos. Por ejemplo, las nanopartículas de oro generalmente amarillo y silicio gris son de color rojo; las nanopartículas de oro se funden a temperaturas mucho más bajas (~300 °C para un tamaño de 2,5 nm) que las placas de oro (1064 °C); [10] y los nanocables metálicos son mucho más fuertes que los metales a granel correspondientes. [11] [12] La gran área superficial de las nanopartículas las hace extremadamente atractivas para ciertas aplicaciones en el campo de la energía. Por ejemplo, los metales de platino pueden proporcionar mejoras como catalizadores de combustible para automóviles , así como celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM). Además, los óxidos cerámicos (o cermets) de lantano , cerio , manganeso y níquel ahora se están desarrollando como celdas de combustible de óxido sólido (SOFC). Las nanopartículas de litio, titanato de litio y tantalio se están aplicando en baterías de iones de litio. Se ha demostrado que las nanopartículas de silicio expanden drásticamente la capacidad de almacenamiento de las baterías de iones de litio durante el ciclo de expansión/contracción. Los nanocables de silicio se reciclan sin una degradación significativa y presentan potencial para su uso en baterías con tiempos de almacenamiento muy ampliados. Las nanopartículas de silicio también se están utilizando en nuevas formas de células de energía solar. La deposición de una película delgada de puntos cuánticos de silicio sobre el sustrato de silicio policristalino de una célula fotovoltaica (solar) aumenta la salida de voltaje hasta en un 60% al hacer que la luz entrante sea fluorescente antes de ser capturada. Aquí también, el área de superficie de las nanopartículas (y películas delgadas) desempeña un papel crítico en la maximización de la cantidad de radiación absorbida.
Muchos materiales naturales (o biológicos) son compuestos complejos con propiedades mecánicas extraordinarias. Estas estructuras complejas, que han surgido a partir de cientos de millones de años de evolución, inspiran a los científicos de materiales en el diseño de nuevos materiales. Sus características definitorias incluyen jerarquía estructural, multifuncionalidad y capacidad de autocuración. La autoorganización es también una característica fundamental de muchos materiales biológicos y la manera en que se ensamblan las estructuras desde el nivel molecular hacia arriba. Por lo tanto, el autoensamblaje está surgiendo como una nueva estrategia en la síntesis química de biomateriales de alto rendimiento.
Las propiedades físicas de los elementos y compuestos que proporcionan evidencia concluyente de la composición química incluyen olor, color, volumen, densidad (masa por unidad de volumen), punto de fusión, punto de ebullición, capacidad térmica, forma física y figura a temperatura ambiente (sólido, líquido o gas; cristales cúbicos, trigonales, etc.), dureza, porosidad, índice de refracción y muchas otras. En esta sección se analizan algunas propiedades físicas de los materiales en estado sólido.
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Las propiedades mecánicas de los materiales describen características como su resistencia y su resistencia a la deformación. Por ejemplo, las vigas de acero se utilizan en la construcción por su alta resistencia, es decir, no se rompen ni se doblan significativamente bajo la carga aplicada.
Las propiedades mecánicas incluyen elasticidad , plasticidad , resistencia a la tracción , resistencia a la compresión , resistencia al corte , tenacidad a la fractura , ductilidad (baja en materiales frágiles) y dureza por indentación . La mecánica de sólidos es el estudio del comportamiento de la materia sólida bajo acciones externas como fuerzas externas y cambios de temperatura.
Un sólido no exhibe flujo macroscópico, como lo hacen los fluidos. Cualquier grado de desviación de su forma original se llama deformación . La proporción de deformación con respecto al tamaño original se llama deformación. Si la tensión aplicada es suficientemente baja, casi todos los materiales sólidos se comportan de tal manera que la deformación es directamente proporcional a la tensión ( ley de Hooke ). El coeficiente de la proporción se llama módulo de elasticidad o módulo de Young . Esta región de deformación se conoce como la región elástica lineal . Tres modelos pueden describir cómo responde un sólido a una tensión aplicada:
Muchos materiales se debilitan a altas temperaturas. Los materiales que conservan su resistencia a altas temperaturas, llamados materiales refractarios , son útiles para muchos propósitos. Por ejemplo, las vitrocerámicas se han vuelto extremadamente útiles para cocinar en encimeras, ya que presentan excelentes propiedades mecánicas y pueden soportar cambios de temperatura rápidos y repetidos de hasta 1000 °C. En la industria aeroespacial, los materiales de alto rendimiento utilizados en el diseño de exteriores de aeronaves y/o naves espaciales deben tener una alta resistencia al choque térmico. Por lo tanto, ahora se están diseñando fibras sintéticas hiladas a partir de polímeros orgánicos y materiales compuestos de polímero/cerámica/metal y polímeros reforzados con fibra con este propósito en mente.
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Debido a que los sólidos tienen energía térmica , sus átomos vibran alrededor de posiciones medias fijas dentro de la red ordenada (o desordenada). El espectro de vibraciones de la red en una red cristalina o vítrea proporciona la base para la teoría cinética de los sólidos . Este movimiento ocurre a nivel atómico y, por lo tanto, no se puede observar ni detectar sin un equipo altamente especializado, como el que se usa en espectroscopia .
Las propiedades térmicas de los sólidos incluyen la conductividad térmica , que es la propiedad de un material que indica su capacidad para conducir el calor . Los sólidos también tienen una capacidad calorífica específica , que es la capacidad de un material para almacenar energía en forma de calor (o vibraciones reticulares térmicas).
Las propiedades eléctricas incluyen tanto la resistividad eléctrica como la conductividad , la rigidez dieléctrica , la permeabilidad electromagnética y la permitividad . Los conductores eléctricos, como los metales y las aleaciones, se contrastan con los aislantes eléctricos, como los vidrios y las cerámicas. Los semiconductores se comportan en algún punto intermedio. Mientras que la conductividad en los metales es causada por los electrones, tanto los electrones como los huecos contribuyen a la corriente en los semiconductores. Por otra parte, los iones sustentan la corriente eléctrica en los conductores iónicos .
Muchos materiales también presentan superconductividad a bajas temperaturas; entre ellos se incluyen elementos metálicos como el estaño y el aluminio, diversas aleaciones metálicas, algunos semiconductores altamente dopados y ciertas cerámicas. La resistividad eléctrica de la mayoría de los conductores eléctricos (metálicos) generalmente disminuye gradualmente a medida que baja la temperatura, pero sigue siendo finita. Sin embargo, en un superconductor, la resistencia cae abruptamente a cero cuando el material se enfría por debajo de su temperatura crítica. Una corriente eléctrica que fluye en un bucle de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin una fuente de energía.
Un dieléctrico , o aislante eléctrico, es una sustancia que es muy resistente al flujo de corriente eléctrica. Un dieléctrico, como el plástico, tiende a concentrar un campo eléctrico aplicado dentro de sí mismo, propiedad que se utiliza en los condensadores. Un condensador es un dispositivo eléctrico que puede almacenar energía en el campo eléctrico entre un par de conductores muy espaciados (llamados "placas"). Cuando se aplica voltaje al condensador, se acumulan cargas eléctricas de igual magnitud, pero de polaridad opuesta, en cada placa. Los condensadores se utilizan en circuitos eléctricos como dispositivos de almacenamiento de energía, así como en filtros electrónicos para diferenciar entre señales de alta y baja frecuencia.
La piezoelectricidad es la capacidad de los cristales de generar un voltaje en respuesta a una tensión mecánica aplicada. El efecto piezoeléctrico es reversible, ya que los cristales piezoeléctricos, cuando se someten a un voltaje aplicado externamente, pueden cambiar de forma en una pequeña cantidad. Los materiales poliméricos como el caucho, la lana, el cabello, la fibra de madera y la seda a menudo se comportan como electretos . Por ejemplo, el polímero fluoruro de polivinilideno (PVDF) exhibe una respuesta piezoeléctrica varias veces mayor que el material piezoeléctrico tradicional cuarzo (SiO 2 cristalino ). La deformación (~0,1 %) se presta a aplicaciones técnicas útiles como fuentes de alto voltaje, altavoces, láseres, así como sensores y/o transductores químicos, biológicos y acústico-ópticos.
Los materiales pueden transmitir (por ejemplo, el vidrio) o reflejar (por ejemplo, los metales) la luz visible.
Muchos materiales transmiten algunas longitudes de onda y bloquean otras. Por ejemplo, el vidrio de una ventana es transparente a la luz visible , pero mucho menos a la mayoría de las frecuencias de luz ultravioleta que provocan quemaduras solares . Esta propiedad se utiliza para los filtros ópticos selectivos de frecuencia, que pueden alterar el color de la luz incidente.
Para algunos propósitos, tanto las propiedades ópticas como las mecánicas de un material pueden ser de interés. Por ejemplo, los sensores de un misil guiado por infrarrojos ("buscador de calor") deben estar protegidos por una cubierta que sea transparente a la radiación infrarroja . El material de elección actual para las cúpulas de misiles guiados por infrarrojos de alta velocidad es el zafiro monocristalino . La transmisión óptica del zafiro en realidad no se extiende para cubrir todo el rango de infrarrojo medio (3-5 μm), sino que comienza a disminuir en longitudes de onda mayores de aproximadamente 4,5 μm a temperatura ambiente. Si bien la resistencia del zafiro es mejor que la de otros materiales de cúpula de infrarrojos de rango medio disponibles a temperatura ambiente, se debilita por encima de los 600 °C. Existe una disyuntiva de larga data entre el paso de banda óptico y la durabilidad mecánica; nuevos materiales como la cerámica transparente o los nanocompuestos ópticos pueden proporcionar un rendimiento mejorado.
La transmisión de ondas de luz guiadas es una técnica que se aplica al campo de la fibra óptica y a la capacidad de ciertos vidrios de transmitir, simultáneamente y con poca pérdida de intensidad, una gama de frecuencias (guías de ondas ópticas multimodo) con escasas interferencias entre ellas. Las guías de ondas ópticas se utilizan como componentes de circuitos ópticos integrados o como medio de transmisión en sistemas de comunicación óptica.
Una célula solar o célula fotovoltaica es un dispositivo que convierte la energía luminosa en energía eléctrica. Básicamente, el dispositivo necesita cumplir sólo dos funciones: fotogeneración de portadores de carga (electrones y huecos) en un material que absorba la luz, y separación de los portadores de carga a un contacto conductor que transmitirá la electricidad (en otras palabras, llevar los electrones a través de un contacto metálico a un circuito externo). Esta conversión se denomina efecto fotoeléctrico y el campo de investigación relacionado con las células solares se conoce como fotovoltaica.
Las células solares tienen muchas aplicaciones. Hace tiempo que se utilizan en situaciones en las que no se dispone de energía eléctrica de la red, como en sistemas eléctricos de zonas remotas, satélites en órbita terrestre y sondas espaciales, calculadoras portátiles, relojes de pulsera, radioteléfonos remotos y aplicaciones de bombeo de agua. Más recientemente, se están empezando a utilizar en conjuntos de módulos solares (parques fotovoltaicos) conectados a la red eléctrica a través de un inversor, que no actúa como suministro único, sino como fuente de electricidad adicional.
Todas las células solares requieren un material absorbente de luz contenido dentro de la estructura de la célula para absorber fotones y generar electrones a través del efecto fotovoltaico . Los materiales utilizados en las células solares tienden a tener la propiedad de absorber preferentemente las longitudes de onda de la luz solar que llegan a la superficie de la Tierra. Algunas células solares también están optimizadas para la absorción de luz más allá de la atmósfera terrestre.
La ciencia de los materiales es un campo interdisciplinario de investigación y descubrimiento de materiales . La ingeniería de materiales es un campo de ingeniería que se dedica a encontrar usos para los materiales en otros campos e industrias.
Los orígenes intelectuales de la ciencia de los materiales se remontan a la Era de la Ilustración , cuando los investigadores comenzaron a utilizar el pensamiento analítico de la química , la física y la ingeniería para comprender las antiguas observaciones fenomenológicas en metalurgia y mineralogía . [14] [15] La ciencia de los materiales todavía incorpora elementos de la física, la química y la 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 a su estudio.
Los científicos de materiales enfatizan la importancia de comprender cómo la historia de un material ( procesamiento ) influye en su estructura y, por lo tanto, en las propiedades y el rendimiento del material . La comprensión de las relaciones entre procesamiento, estructura y propiedades se denomina paradigma de los materiales. Este paradigma se utiliza para avanzar en la comprensión de diversas áreas de investigación, incluidas la nanotecnología , los biomateriales y la metalurgia .
La ciencia de los materiales también es una parte importante de la ingeniería forense y del análisis de fallos : se investigan materiales, productos, estructuras o componentes que fallan o no funcionan como se esperaba, causando lesiones personales o daños a la propiedad. Estas investigaciones son fundamentales para comprender, por ejemplo, las causas de diversos accidentes e incidentes de aviación .{{cite book}}: |last=tiene nombre genérico ( ayuda )
