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 rigidez estructural (como en los cuerpos rígidos ) y resistencia a una fuerza aplicada a la superficie. A diferencia de un líquido, un objeto sólido no fluye para tomar 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 de una ventana común). Los sólidos no se pueden comprimir con poca presión, mientras que los gases se pueden comprimir con poca presión porque las moléculas de un gas están poco empaquetadas.
La rama de la física que se ocupa de los sólidos se llama física del estado sólido , y es la rama principal de la física de la materia condensada (que también incluye a 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 en un patrón repetitivo ordenado o de forma irregular. Los materiales cuyos constituyentes están dispuestos en un patrón regular se conocen como cristales . En algunos casos, el orden regular puede continuar ininterrumpido a gran escala, por ejemplo, en el caso de los diamantes, donde cada diamante es un solo cristal . Los objetos sólidos que son lo suficientemente grandes como para verlos y manipularlos rara vez están compuestos de un solo cristal, sino que están hechos de una gran cantidad de cristales individuales, conocidos como cristalitos , cuyo tamaño puede variar desde unos pocos nanómetros hasta varios metros. Estos 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 ; los ejemplos incluyen poliestireno y vidrio.
El hecho de que un sólido sea cristalino o amorfo depende del material involucrado y de las condiciones en las que se formó. Los sólidos que se forman por enfriamiento lento tenderán 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 involucrado y de cómo se formó.
Si bien muchos objetos comunes, como un cubito de hielo o una moneda, son químicamente idénticos en todos sus aspectos, muchos otros materiales comunes comprenden varias sustancias diferentes empaquetadas juntas. 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 formado principalmente por 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 mediante enlaces iónicos . [1] En el diamante [2] o en el silicio, los átomos comparten electrones y forman enlaces covalentes . [3] En los metales, los electrones se comparten en el enlace metálico . [4] Algunos sólidos, particularmente 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 en 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 la electricidad como del calor . [5] [6] La mayor parte de los elementos de la tabla periódica , los que se encuentran 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 .
La gente ha utilizado metales para diversos fines desde tiempos prehistóricos. La resistencia y confiabilidad de los metales ha llevado a 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 de ferrocarril. 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 comúnmente en forma de una aleación, el acero, que contiene hasta un 2,1% de carbono , lo que lo hace mucho más duro que el hierro puro.
Debido a que los metales son buenos conductores de la electricidad, son valiosos en aparatos eléctricos y para transportar corriente eléctrica a largas distancias con poca pérdida o disipación de energía. Por tanto, las redes eléctricas dependen de cables metálicos para distribuir electricidad. Los sistemas eléctricos domésticos, por ejemplo, están cableados con cobre por sus buenas propiedades conductoras y su fácil maquinabilidad. La alta conductividad térmica de la mayoría de los metales también los hace útiles para utensilios de cocina.
El estudio de elementos metálicos y sus aleaciones constituye una parte importante de los campos de la química, la física, la ciencia de los materiales y la ingeniería del estado sólido.
Los sólidos metálicos se mantienen unidos gracias a una alta densidad de electrones deslocalizados compartidos, lo que se conoce como " enlace metálico ". En un metal, los átomos pierden fácilmente sus electrones más externos ("valencia") , formando iones positivos . Los electrones libres se distribuyen por todo el sólido, que se mantiene unido mediante interacciones electrostáticas entre los iones y la nube de electrones. [7] La gran cantidad de electrones libres confiere a los metales sus altos valores de conductividad eléctrica y térmica. Los electrones libres también impiden la transmisión de la luz visible, haciendo que los metales sean opacos, brillantes y lustrosos .
Modelos más avanzados de 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 puede tratarse mediante varios modelos, siendo el más sencillo el modelo del electrón casi libre .
Los minerales son sólidos naturales formados a través de diversos procesos geológicos [8] bajo altas presiones. Para ser clasificada 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 están formadas por 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 sólo en unos pocos lugares del mundo. El grupo más grande de minerales, con diferencia, son los silicatos (la mayoría de las rocas tienen ≥95% de silicatos), que están compuestos principalmente 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, normalmente óxidos de elementos químicos. [9] Son químicamente inertes y, a menudo, son capaces de resistir la erosión química que se produce en un ambiente ácido o cáustico. La cerámica generalmente puede soportar altas temperaturas que oscilan entre 1000 y 1600 °C (1800 a 3000 °F). Las excepciones incluyen materiales inorgánicos no oxidados, como nitruros , boruros y carburos .
Las materias primas cerámicas tradicionales incluyen minerales arcillosos como la caolinita , los materiales más recientes incluyen el óxido de aluminio ( alúmina ). Los materiales cerámicos modernos, que se clasifican como cerámicas avanzadas, incluyen el carburo de silicio y el carburo de tungsteno . Ambos son valorados por su resistencia a la abrasión y, por lo tanto, encuentran uso en aplicaciones tales como placas de desgaste de 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 . Así, generalmente son materiales opacos, a diferencia de materiales transparentes . Sin embargo, la reciente tecnología a nanoescala (por ejemplo, sol-gel ) ha hecho posible la producción de cerámicas transparentes policristalinas , como alúmina transparente y compuestos de alúmina para aplicaciones como láseres de alta potencia. La cerámica avanzada también se utiliza en las industrias médica, eléctrica y electrónica.
La ingeniería cerámica es la ciencia y la tecnología de la creación de materiales, piezas y dispositivos cerámicos de estado sólido. Esto se hace mediante la acción del calor o, a temperaturas más bajas, mediante reacciones de precipitación 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 quebradizos, duros, resistentes a la compresión y débiles al cizallamiento y la 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 (denominada K Ic ) describe la capacidad de un material con fallas microestructurales inherentes para resistir la fractura mediante el crecimiento y la propagación de grietas. Si un material tiene un valor alto de tenacidad a la fractura , los principios básicos de la mecánica de la fractura 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 .
Como ejemplo de aplicaciones de la cerámica, la extrema dureza del circonio se utiliza en la fabricación de hojas de cuchillos, así como en 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 rifles de gran calibre. Las piezas de nitruro de silicio se utilizan en rodamientos de bolas cerámicos, donde su alta dureza los hace resistentes al desgaste. En general, la cerámica también es químicamente resistente y puede usarse en ambientes húmedos donde los cojinetes de acero serían susceptibles a la oxidación (u óxido).
Como otro ejemplo de aplicaciones cerámicas, a principios de la década de 1980, Toyota investigó la producción de un motor cerámico adiabático con una temperatura de funcionamiento superior a 6000 °F (3300 °C). Los motores cerámicos no requieren sistema de refrigeración y por tanto permiten una importante reducción de peso y por tanto una mayor eficiencia de combustible. En un motor metálico convencional, gran parte de la energía liberada por el combustible debe disiparse como calor residual para evitar la fusión de las piezas metálicas. También se trabaja 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, dando a los aviones mayor alcance y carga útil con una cantidad determinada de combustible. Sin embargo, estos motores no se fabrican porque la fabricación de piezas cerámicas con suficiente precisión y durabilidad es difícil y costosa. Los métodos de procesamiento a menudo dan como resultado una amplia distribución de defectos microscópicos que frecuentemente desempeñan un papel perjudicial en el proceso de sinterización, lo que resulta en la proliferación de grietas y, en última instancia, fallas mecánicas.
Los materiales vitrocerámicos comparten muchas propiedades tanto con los vidrios no cristalinos como con las cerámicas cristalinas . Se forman como vidrio y luego se cristalizan parcialmente mediante tratamiento térmico, produciendo fases amorfas y 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 con la marca CorningWare ) y estufas que tienen una alta resistencia al choque térmico y una permeabilidad extremadamente baja a los líquidos. El coeficiente negativo de expansión térmica de la fase cerámica cristalina se puede equilibrar con el coeficiente positivo de la fase vítrea. En cierto punto (~70% cristalino) la vitrocerámica tiene un coeficiente neto de expansión térmica cercano a cero. Este tipo de vitrocerámica presenta excelentes propiedades mecánicas y puede soportar cambios de temperatura rápidos y repetidos hasta 1000 °C.
La vitrocerámica también puede aparecer de forma natural cuando un rayo cae sobre los granos cristalinos (por ejemplo, de cuarzo) que se encuentran en la mayor parte de la arena de las playas . En este caso, el calor extremo e inmediato del rayo (~2500 °C) crea estructuras huecas y ramificadas en forma de 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 cantidad 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 formado principalmente por fibras de celulosa incrustadas 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 tanto, la madera ha sido un material de construcción importante desde que los humanos comenzaron a construir refugios y utilizar barcos. La madera que se utilizará para trabajos de construcción se conoce comúnmente como madera aserrada o madero . En la construcción, la madera no es sólo un material estructural, sino que también se utiliza para formar el molde del hormigón.
Los materiales a base de madera también se utilizan ampliamente para embalajes (por ejemplo, cartón) y papel, ambos creados a partir de pulpa refinada. Los procesos de fabricación de pulpa química utilizan una combinación de alta temperatura y productos químicos alcalinos (kraft) o ácidos (sulfito) 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 una red. El proceso se llama polimerización y las cadenas o redes son poliméricas, mientras que el compuesto fuente es un monómero. Existen dos grupos principales de polímeros: los fabricados artificialmente se denominan polímeros industriales o polímeros sintéticos (plásticos) y los que se producen de forma natural como 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, el calor. resistencia, transparencia, color, etc. En las proteínas, estas diferencias confieren al polímero la capacidad de adoptar una conformación biológicamente activa con preferencia a otras (ver autoensamblaje ).
Los polímeros orgánicos naturales se utilizan desde hace siglos en forma de ceras y goma laca , que se clasifica como polímero termoplástico. Un polímero vegetal llamado celulosa proporcionó la resistencia a la tracción de las fibras y cuerdas naturales, y a principios del siglo XIX el caucho natural se usaba ampliamente. Los polímeros son las materias primas (las resinas) que se utilizan para fabricar lo que comúnmente se llama plástico. Los plásticos son el producto final, creado después de que uno o más polímeros o aditivos se hayan agregado a una resina durante el procesamiento, a la que luego se le da una forma final. Los polímeros que han existido y que actualmente se utilizan ampliamente incluyen polietileno , polipropileno , cloruro de polivinilo , poliestireno , nailon, poliésteres , acrílicos , poliuretano y policarbonatos , y siliconas a base de silicio . Los plásticos generalmente se clasifican como plásticos "comerciales", "especializados" 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 materiales compuestos van desde elementos estructurales como el hormigón armado con acero hasta losas aislantes térmicas 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 del fuego. -entrada en 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 de la nariz y los bordes de ataque de las alas del transbordador espacial. 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 compuestos en las carcasas de "plástico" de televisores, teléfonos móviles, etc. Estas carcasas de plástico suelen ser un compuesto formado por una matriz termoplástica como acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) a la que se le ha añadido tiza de carbonato de calcio , talco , fibras de vidrio o fibras de carbono para darle resistencia, volumen o dispersión electrostática. Estas adiciones pueden denominarse fibras de refuerzo o dispersantes, según su finalidad.
Así, el material de matriz rodea y soporta los materiales de refuerzo manteniendo sus posiciones relativas. Los refuerzos imparten sus propiedades físicas y mecánicas especiales para mejorar las propiedades de la matriz. Una sinergia produce propiedades materiales que no están disponibles en los materiales constituyentes individuales, mientras que la amplia variedad de materiales de matriz y refuerzo proporciona al diseñador la elección de una combinación óptima.
Los semiconductores son materiales que tienen una resistividad (y conductividad) eléctrica entre la de los conductores metálicos y los aislantes no metálicos. Se pueden encontrar en la tabla periódica moviéndose diagonalmente hacia abajo desde el boro . Separan los conductores eléctricos (o metales, a la izquierda) de los aislantes (a la derecha).
Los dispositivos fabricados a partir de materiales semiconductores son la base de la electrónica moderna, incluidas 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 es transportada por el flujo de electrones, pero en los semiconductores, la corriente puede ser transportada por electrones o por los " agujeros " cargados positivamente en la estructura de bandas electrónicas del material. Los materiales semiconductores comunes incluyen silicio, germanio y arseniuro de galio .
Muchos sólidos tradicionales exhiben propiedades diferentes 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 superficie de las nanopartículas las hace extremadamente atractivas para determinadas aplicaciones en el campo de la energía. Por ejemplo, los metales de platino pueden proporcionar mejoras como catalizadores de combustible para automóviles , así como pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM). Además, actualmente se están desarrollando óxidos cerámicos (o cermets) de lantano , cerio , manganeso y níquel como pilas de combustible de óxido sólido (SOFC). Se están aplicando nanopartículas de litio, titanato de litio y tantalio en baterías de iones de litio. Se ha demostrado que las nanopartículas de silicio amplían drásticamente la capacidad de almacenamiento de las baterías de iones de litio durante el ciclo de expansión/contracción. Los nanocables de silicio circulan 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 fluorescente la luz entrante antes de su captura. Una vez más, el área de superficie de las nanopartículas (y películas delgadas) juega un papel fundamental a la hora de maximizar la cantidad de radiación absorbida.
Muchos materiales naturales (o biológicos) son compuestos complejos con propiedades mecánicas notables. Estas estructuras complejas, que han surgido a partir de cientos de millones de años de evolución, están inspirando a los científicos de materiales en el diseño de materiales novedosos. Sus características definitorias incluyen jerarquía estructural, multifuncionalidad y capacidad de autocuración. La autoorganización es también una característica fundamental de muchos materiales biológicos y la forma en que se ensamblan las estructuras desde el nivel molecular hacia arriba. Así, el autoensamblaje se perfila 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 el olor, el color, el volumen, la densidad (masa por unidad de volumen), el punto de fusión, el punto de ebullición, la capacidad calorífica, la forma física y la forma a temperatura ambiente (sólido, líquido o gaseoso). ; cristales cúbicos, trigonales, etc.), dureza, porosidad, índice de refracción y muchos otros. Esta sección analiza 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 resistencia a la deformación. Por ejemplo, las vigas de acero se utilizan en la construcción debido a su alta resistencia, lo que significa que 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 a la indentación . La mecánica de sólidos es el estudio del comportamiento de la materia sólida ante acciones externas como fuerzas externas y cambios de temperatura.
Un sólido no exhibe un 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 región linealmente elástica . 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, la vitrocerámica se ha vuelto extremadamente útil para cocinar en encimeras, ya que exhibe excelentes propiedades mecánicas y puede 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 fibras 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 puede observarse ni detectarse sin un equipo altamente especializado, como el que se utiliza 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 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 de la red térmica).
Las propiedades eléctricas incluyen tanto la resistividad como la conductividad eléctricas , 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 el vidrio y la cerámica. 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. Alternativamente, los iones soportan la corriente eléctrica en conductores iónicos .
Muchos materiales también presentan superconductividad a bajas temperaturas; incluyen elementos metálicos como el estaño y el aluminio, diversas aleaciones metálicas, algunos semiconductores fuertemente dopados y determinadas cerámicas. La resistividad eléctrica de la mayoría de los conductores eléctricos (metálicos) generalmente disminuye gradualmente a medida que desciende la temperatura, pero permanece 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 alambre superconductor puede persistir indefinidamente sin ninguna fuente de energía.
Un dieléctrico , o aislante eléctrico, es una sustancia altamente 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 estrechamente espaciados (llamados "placas"). Cuando se aplica voltaje al capacitor, 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 en el sentido de 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 de 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, vidrio) o reflejar (por ejemplo, metales) la luz visible.
Muchos materiales transmitirán algunas longitudes de onda mientras bloquean otras. Por ejemplo, el vidrio de las ventanas 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 filtros ópticos selectivos de frecuencia, que pueden alterar el color de la luz incidente.
Para algunos propósitos, pueden resultar interesantes las propiedades ópticas y mecánicas de un material. Por ejemplo, los sensores de un misil infrarrojo ("buscador de calor") deben estar protegidos por una cubierta que sea transparente a la radiación infrarroja . El material elegido actualmente 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 del infrarrojo medio (3 a 5 µm), sino que comienza a disminuir en longitudes de onda superiores a aproximadamente 4,5 µm a temperatura ambiente. Si bien la resistencia del zafiro es mejor que la de otros materiales de cúpula infrarroja de rango medio disponibles a temperatura ambiente, se debilita por encima de los 600 °C. Desde hace mucho tiempo existe un equilibrio entre el paso de banda óptico y la durabilidad mecánica; nuevos materiales como cerámicas transparentes o nanocompuestos ópticos pueden proporcionar un rendimiento mejorado.
La transmisión de ondas de luz guiada interviene en el campo de la fibra óptica y en la capacidad de determinadas gafas de transmitir, simultáneamente y con baja pérdida de intensidad, un rango de frecuencias (guías de ondas ópticas multimodo) con escasas interferencias entre ellas. Las guías de ondas ópticas se utilizan como componentes en 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 debe cumplir sólo dos funciones: fotogeneración de portadores de carga (electrones y huecos) en un material absorbente de luz, y separación de los portadores de carga en un contacto conductor que transmitirá la electricidad (en pocas palabras, transportar 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. Se han utilizado durante mucho tiempo en situaciones en las que la energía eléctrica de la red no está disponible, como en sistemas de energía de áreas remotas, satélites en órbita terrestre y sondas espaciales, calculadoras portátiles, relojes de pulsera, radioteléfonos remotos y aplicaciones de bombeo de agua. Más recientemente, están empezando a utilizarse en conjuntos de módulos solares (conjuntos fotovoltaicos) conectados a la red eléctrica a través de un inversor, es decir, no para actuar como suministro único sino como fuente eléctrica 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 suelen tener la propiedad de absorber preferentemente las longitudes de onda de la luz solar que llegan a la superficie terrestre. 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 la ingeniería que busca usos para materiales en otros campos e industrias.
Los orígenes intelectuales de la ciencia de los materiales se remontan al Siglo de las Luces , cuando los investigadores comenzaron a utilizar el pensamiento analítico de la química , la física y la ingeniería para comprender observaciones fenomenológicas antiguas en metalurgia y mineralogía . [14] [15] La ciencia de los materiales todavía incorpora elementos de la física, la química y la ingeniería. Como tal, las instituciones académicas consideraron durante mucho tiempo el campo 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 hacen hincapié en comprender cómo la historia de un material ( procesamiento ) influye en su estructura y, por tanto, en las propiedades y el rendimiento del material . La comprensión de las relaciones procesamiento-estructura-propiedades se denomina paradigma de los materiales. Este paradigma se utiliza para avanzar en la comprensión en una variedad de 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 el análisis de fallas : investiga materiales, productos, estructuras o componentes que fallan o no funcionan según lo previsto, causando lesiones personales o daños a la propiedad. Este tipo de investigaciones son clave para comprender, por ejemplo, las causas de diversos accidentes e incidentes de aviación .
