Ciencia de los materiales

La ciencia de los materiales e ingeniería (MSE), por su siglas en inglés, es un campo interdisciplinario que se enfoca a la invención de nuevos materiales y la mejora de los materiales conocidos previamente mediante el desarrollo de una comprensión más profunda de las relaciones-composición-síntesis-procesamiento de la microestructura, lo cual es perfectamente aplicable a la fabricación de tanques de acero inoxidable. El término composición significa la composición química de un material. La estructura temporal significa una descripción de la disposición de los átomos, como se ve en diferentes niveles de detalle. Científicos e ingenieros de Materiales no sólo se ocupan de la elaboración de estos, sino también a la síntesis y procesamiento además de los procesos de fabricación relacionados con la producción de los componentes. El término » síntesis » se refiere a cómo los materiales se hacen de origen natural o productos químicos artificiales. El término » procesamiento » significa cómo los materiales se forman en componentes útiles. Una de las funciones más importantes de los científicos e ingenieros de materiales es establecer las relaciones entre las propiedades de un material y su rendimiento. En la ciencia de materiales, se hace hincapié en las relaciones subyacentes entre la síntesis y procesamiento, estructura y propiedades de los materiales. En la ingeniería de materiales, la atención se centra en cómo traducir los materiales de forma transparente en un dispositivo o estructura útil.

Uno de los aspectos más fascinantes esta ciencia consiste en la investigación sobre la estructura de un material. La estructura de los materiales tiene una profunda influencia en muchas propiedades de los mismos, incluso si la composición global no cambia! Por ejemplo, si se toma un alambre de cobre puro y se le dobla en varias ocasiones, el cable no sólo hace más duro, pero también se vuelve cada vez más frágil. Finalmente, el alambre de cobre puro se vuelve tan duro y quebradizo que se rompa fácilmente. La resistividad eléctrica del alambre también aumentará a medida que se dobla repetidamente. En este sencillo ejemplo, observamos que no hemos cambiado la composición del material (es decir, su composición química). Los cambios en las propiedades del material son a menudo debido a un cambio en su estructura interna. Si examina el hilo después de doblar mediante el uso de un microscopio óptico, se verá lo mismo que antes (con excepción de las curvas, por supuesto). Sin embargo, su estructura se ha cambiado a una escala muy pequeña o microscópica. La estructura a esta escala microscópica se conoce como microestructura. Si podemos entender lo que ha cambiado a un nivel micrométrico, podemos empezar a descubrir maneras de controlar las propiedades del material y aplicarlo a los tanques de acero inoxidable.

Vamos a poner la ciencia de los materiales y el tetraedro de ingeniería en perspectiva examinando una muestra de productos superconductores de cerámica inventado en 1986. Usted puede ser consciente de que los materiales cerámicos generalmente no conducen la electricidad. Los científicos encontraron, por casualidad, que ciertos compuestos de cerámica a base de óxidos de cobre de itrio bario (conocidos como YBCO) en realidad puede llevar la corriente eléctrica sin resistencia alguna en ciertas condiciones. Sobre la base de lo que se conocía entonces sobre los superconductores metálicos y las propiedades eléctricas de la cerámica, el comportamiento superconductor en la cerámica no se consideró como una posibilidad verdadera. Por lo tanto, el primer paso en este caso fue el descubrimiento del comportamiento superconductor en materiales cerámicos. Estos materiales fueron descubiertos a través de algunas investigaciones experimentales. Una limitación de estos materiales es que pueden superconducir sólo a temperaturas bajas (<150 K).

El siguiente paso fue determinar cómo hacer que estos materiales mejores. Por » mejor » queremos decir: ¿Cómo podemos mantener un comportamiento superconductor en estos materiales a temperaturas más altas, o cómo podemos transportar una gran cantidad de corriente a larga distancia? Esto implica el procesamiento de materiales y cuidadosos estudios estructura-propiedad. Los científicos de materiales querían saber cómo la composición y microestructura afectan al comportamiento superconductor. También querían saber si hay otros compuestos que exhiben superconductividad. A través de la experimentación, los científicos desarrollaron síntesis de polvos ultrafinos o películas delgadas que se usan para crear dispositivos útiles controlados.

Un ejemplo de cómo abordar este tema desde una perspectiva de ingeniería de materiales sería encontrar una manera de hacer largos cables de transmisión de energía. En cuanto a aplicaciones, en última instancia, queremos saber si podemos hacer grandes longitudes fiables y reproducibles de cables superconductores que son superiores a los cables de cobre y aluminio actuales. Se puede producir este tipo de cables de una manera rentable? habrá que ver.