03 Origen de las propiedades-

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Origen de las propiedades 
 
 Fundamentos 
 
 Clasificación de materiales 
 
 Competencia 
 
 Tendencias 
 
 Metodología de estudio 
 
 Criterios de diseño 
 
 Nanotecnología 
 
 Niveles de energía de los electrones 
 
 Modelos atómicos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ingeniería de Materiales 26 
Fundamentos 
Los materiales han estado tan íntimamente relacionados con el surgimiento y ascenso del 
hombre que han dado los nombres de Piedra, Bronce y Hierro a las edades de la civilización. 
Los materiales son una parte de la materia que se encuentra en el universo, pero más 
específicamente, son sustancias cuyas propiedades las hacen útiles en estructuras, máquinas, 
dispositivos, o productos. La producción y proceso de estos materiales para la obtención de 
productos terminados contribuyen aproximadamente en una quinta parte a los empleos y al 
producto nacional bruto (P.B.I.) en los países avanzados. 
Los materiales utilizados por el hombre pueden ser visualizados como parte de un vasto ciclo 
formado por un sistema global. En este sentido las materias primas son tomadas de la tierra por 
la minería, barrenado, excavación o recolección y convertidas en semielaborados como ser 
lingotes de metal, piedra molida, fuel-oil, madera, etc. Posteriormente se realiza su 
transformación en productos terminados, para satisfacer las necesidades de la sociedad. 
Después de ser utilizados, estos materiales terminan por regresar a la tierra como desechos o 
regresan al ciclo para ser reprocesados y reutilizados nuevamente antes de ser descartados en 
forma definitiva. 
Un aspecto importante del concepto de ciclo es que revela las interacciones de importancia 
entre materiales, energía y medio ambiente y que estos tres factores deben ser tomados en 
cuenta en la planificación y la evaluación tecnológica y económica de un país. Estas 
consideraciones están haciéndose especialmente críticas debido al creciente costo de la energía 
y escasez de materiales que se presenta justamente en el momento en que los habitantes del 
planeta están manifestando un interés más profundo por la calidad del espacio en que habitan. 
Como un caso específico, si el desperdicio de aluminio es sometido a reciclado, se requiere solo 
alrededor de un vigésimo de la energía necesaria para purificar un tonelaje equivalente de 
aluminio primario a partir del mineral y los niveles de operaciones de extracción asociados a 
este proceso se reducen en una proporción equivalente. 
La producción de nuevos materiales y el procesado de estos hasta convertirlos en productos 
terminados, constituyen una parte importante de la economía actual. 
Las actividades de investigación y desarrollo están orientadas a crear nuevos materiales y a 
modificar las propiedades de los ya existentes. 
A veces el problema surge de modo inverso: Cuando se presentan dificultades en un diseño o 
necesidad, se requiere que sea creado un nuevo material. Por ejemplo, en el caso de 
transportes a velocidad hipers6nica, se tendrá que desarrollar materiales que soporten 
temperaturas tan altas como 1800"C, de modo que se puedan alcanzar velocidades en el rango 
de Mach > 5 (hipersónico). La investigación avanza paulatinamente en el desarrollo de 
compuestos de matriz metálica de titanio y otros tipos de compuestos refractarios para esta 
aplicación. 
La búsqueda de nuevos materiales progresa continuamente. Por ejemplo, en mecánica se 
requieren materiales para altas temperaturas, de modo que los motores de reacción puedan 
funcionar más eficientemente. En electricidad se procura encontrar nuevos materiales para 
lograr que los dispositivos electrónicos puedan operar a mayores velocidades y temperaturas. 
En aeronáutica se trata de descubrir materiales con mayor relación resistencia mecánica-peso. 
En química existe una permanente preocupación por lograr materiales más resistentes a la 
corrosión. 
Ingeniería de Materiales 27 
Las propiedades fundamentales de los materiales son la resistencia mecánica, la tenacidad, la 
conductividad térmica, la conductividad eléctrica, la expansión térmica, las características 
dieléctricas y electromagnéticas, las propiedades ópticas, la resistencia a la corrosión y 
oxidación. 
La comprensión de las características internas de los materiales permitió el desplazamiento de 
los conductores de señales electrónicas por los de tipo fotónico (Fig.1). Entre 1970 y 1984, las 
telecomunicaciones en América consumieron 200000 tns de cobre por año. Entre 1984 y 1995 
el consumo cayo a la mitad, con la aparición de la fibra óptica. En la actualidad las fibras ópticas 
se utilizan en conductores de señales eléctricas de larga distancia, mientras que el cobre se 
emplea en casos de pequeños diámetros. 
La contribución de las diferentes fuentes de energía a la economía se observa en la Fig. 2. 
Cuando el petróleo y el gas se agoten, se tendrá que recurrir a otras fuentes de energía. Para el 
desarrollo de esas nuevas fuentes de energía será necesario disponer de nuevos materiales de 
alto desarrollo tecnológico. 
La industria aeronáutica y aeroespacial incidieron de manera preponderante en el desarrollo de 
la ciencia y la tecnología. La creciente velocidad de las aeronaves obliga a realizar mejoras 
continuas en los materiales empleados. El calentamiento por fricción con el aire afecta al 
revestimiento y la mayor potencia desarrollada eleva la temperatura del motor (Fig. 3). 
Los distintos tipos de materiales utilizados en naves aeroespaciales se observan en la Fig. 4. La 
elevación de las temperaturas de trabajo de los motores a reacción también exigió el desarrollo 
de materiales con características mecánicas y térmicas superiores (Fig. 5). Los diseños de las 
naves subsónicas y supersónicas se basan en la reducción del peso de los componentes. 
Un aspecto importante para el diseño es la relación del costo con la reducción del peso. En la 
industria automotriz se pone en evidencia más claramente la importancia de la sustitución de 
materiales convencionales por otros más livianos (Fig. 6). Un factor a tener en cuenta es el de la 
seguridad que se opone al uso de estos materiales. Este contrasentido es un desafío para el 
diseño. 
Es importante analizar las exigencias que se imponen a los materiales y componentes desde las 
diferentes industrias. Las necesidades tecnológicas dependen de las tensiones mecánicas, las 
temperaturas, las presiones y los entornos químicos del medio en el que deben operar. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1 – Producción anual de material de interconexión para comunicaciones 
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Fig. 2 – Contribución de las fuentes de energía a la economía 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 3 – Exigencias tecnológicas en la industria aeroespacial 
 
 
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Un aspecto importante para el diseño es la relación del costo con la reducción del peso. En la
industria automotriz se pone en evidencia más claramente la importancia de la sustitución de
materiales convencionales por otros más livianos (Fig. 6). Un factor a tener en cuenta es el de la
seguridad que se opone al uso de estos materiales. Este contrasentido es un desafío para el diseño.
Es importante analizar las exigencias que se imponen a los materiales y componentes desde las
diferentes industrias. Las necesidades tecnológicas dependen de las tensiones mecánicas, las
temperaturas, las presiones y los entornos químicos del medio en el que deben operar.
Fig. 6 – Sustitución de materiales en la industria automotriz
Fig. 4 – Materiales para naves espaciales 
Fig. 5 – Evolución de la temperatura de trabajo de motores de reacción 
Fig. 6 – Sustitución de materiales en la industria automotriz 
Ingeniería de Materiales 30 
Clasificación de los materiales 
Existenvarios tipos de clasificaciones de los materiales (según su aplicación, la composición 
química, etc.). En el presente caso la clasificación utilizada comprende los siguientes cinco 
grupos principales: 
- Metales y aleaciones 
- Cerámicos 
- Polímeros 
- Compuestos 
 - Semiconductores. 
Las características que diferencian a cada grupo se basan en las propiedades físicas y químicas 
fundamentales. 
Metales y aleaciones 
Definición: Los metales y aleaciones son sustancias inorgánicas que están compuestas por uno 
o más elementos metálicos, pudiendo contener también algunos elementos no-metálicos. 
Estructura interna: Presentan ordenamiento atómico que da origen a la estructura cristalina. 
Aceros – Aluminio – Cinc – Fundiciones – Titanio – Cobre - Definición 
Propiedades principales: 
Alta resistencia mecánica-gran rigidez-ductilidad (conformabilidad)-resistencia a choques 
térmicos-buena conductividad eléctrica y térmica 
Tipo de enlace: Metálico 
Los metales y aleaciones se dividen en general en dos clases: 
- Metales y aleaciones ferrosas, que contienen un alto porcentaje de hierro, como el acero o los 
hierros fundidos 
- Metales y aleaciones no-ferrosas, como aluminio, cobre, cinc, titanio y níquel. 
Una aleación es una combinación de dos o más metales y también de un metal y un no-metal. 
 
Polímeros 
Definición: La mayoría de los polímeros están formados por largas cadenas de moléculas 
orgánicas o redes. 
Son materiales orgánicos. Se aplica el proceso de polimerización para la fabricación 
Productos: Films plásticos-envases-placas-barras-perfiles-etc. Elastómeros (caucho 
vulcanizado). Adhesivos (epoxi) 
Propiedades: Aislantes eléctricos-aislantes térmicos-baja resistencia mecánica-alta relación 
resistencia/peso-buena resistencia a la corrosión. 
Otras aplicaciones: Chalecos antibalas-discos compactos-pantallas LCD-componentes con 
aditivos 
Estructura interna: Estan constituidos por moléculas. Por lo tanto no tienen ordenamiento 
atómico y presentan estructura cristalina. En alguno casos se forman zonas localizadas de 
regiones cristalinas 
Tipo de enlace: Molécular (enlaces débiles, de Van der Waals). Los átomos de las moléculas 
tiene enlace covalente. 
Por lo tanto las moléculas son neutras (no conducen electricidad). 
Los polímeros tienen bajas densidades y temperaturas de fluencia (ablandamiento) o 
descomposición relativamente bajas. 
Ingeniería de Materiales 31 
Cerámicos 
Definición: Los cerámicos son materiales inorgánicos constituidos por elementos metálicos y 
no-metálicos cohesionados químicamente. 
Cerámicos avanzados: Sustratos de chip de computadora-sensores y arrancadores-capacitores-
comunicaciones inalámbricas-bujías de motores-inductores y aislantes eléctricos-
recubrimientos de motores de turbina. 
Cerámicos industriales: placas para pared y piso-ladrillos-vajilla-sanitarios-refractarios-abrasivos 
Propiedades principales: Alta temperatura de fusión-aislantes térmicos (porosidad)-alta 
resistencia a la compresión-alta dureza-alta fragilidad-alta resistencia a la fractura para 
soportar cargas dinámicas para impulsores de motores de turbina. 
Vidrios: Material amorfo (no tienen arreglos regulares o periódicos de sus átomos), base sílice 
fundida-fibra óptica (fibra de vidrio de alta pureza)-aplicaciones en casas-automóviles-pantallas 
de computadoras y tv. 
Para mayor resistencia los vidrios se someten a tratamientos térmicos (temple)-Al moldear y 
lograr nucleación de pequeños cristales por tratamientos térmicos especiales se obtienen 
materiales vitrocerámicos (Zerodur®, para sustratos de espejos de telescopios). 
Los vidrios y vitrocerámicos se procesan por fusión y colado 
Estructura interna: Pueden tener estructura cristalina, no cristalina (amorfa), o mezcla de 
ambos. 
Tipo de enlace: 
Vidrios: Enlace covalente (SiO2) 
Cerámicos: Prevalece el enlace iónico con presencia de covalente 
Ejemplos de materiales cerámicos 
Nitruro de silicio (Si3N4), utilizado como polvo abrasivo. 
Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicópteros y cubiertas de tanques. 
Carburo de silicio (SiC), empleado en hornos microondas, en abrasivos y como material 
refractario. 
Diboruro de magnesio (MgB2), es un superconductor no convencional. 
Óxido de zinc (ZnO), un semiconductor. 
Ferrita (Fe3O4) es utilizado en núcleos de transformadores magnéticos y en núcleos de 
memorias magnéticas. 
Esteatita, utilizada como un aislante eléctrico. 
Óxido de uranio (UO2), empleado como combustible en reactores nucleares 
Óxido de itrio, bario y cobre (YBa2Cu3O7-x), superconductor de alta temperatura. 
Cermet: Materiales compuesto formado por cerámico y metal. Matriz: Cobalto, níquel, 
molibdeno. Fase dispersa: carburos, boruros, óxidos, alúmina 
 
Materiales compuestos 
Definición: Los materiales compuestos son mezclas de dos o más materiales. La mayoría consta 
de un determinado material denominado fase dispersa (refuerzo) y una matriz (aglomerante), 
con el objeto de obtener características y propiedades especificas. 
Combinación de materiales con propiedades distintas. A partir de dos o más materiales, se 
obtienen propiedades que no posee un solo material. 
Hormigón armado-madera terciada-plásticos reforzado con fibras (vidrio, carbono, Kevlar®) 
Las fibras de vidrio hacen más rígido al polímero sin aumentar su densidad. 
Con materiales compuestos se pueden obtener materiales ligeros, resistentes, dúctiles, 
resistentes a altas temperaturas o también se pueden fabricar herramientas de corte de alta 
Ingeniería de Materiales 32 
dureza, pero resistentes al impacto. 
La industria aeroespacial en general utiliza plástico reforzado con fibra de carbono o kevlar. 
Elementos deportivos: bicicletas-raquetas-etc. 
Características principales: En general, los componentes no se disuelven recíprocamente y 
pueden ser identificados físicamente debido a la interfase existente entre ambos. 
 
Semiconductores 
Característica principal: Conducir corriente eléctrica bajo determinadas circunstancias y evitar 
el paso de dicha corriente en otras. La electrónica de estado sólido se basa en este tipo de 
materiales. 
Son materiales base silicio, germanio, arseniuro de galio. Se usan en computadoras y 
electrónica. La conductividad eléctrica es intermedia entre los aislantes cerámicos y los 
conductores eléctricos. 
Estos materiales no son significativos cuantitativamente, pero tienen gran incidencia en el 
desarrollo de las nuevas tecnologías. Son los principales componentes de la Era de la 
Información. Los dispositivos microelectrónicos han hecho posible la construcción de equipos 
tales como los satélites de comunicaciones, ordenadores avanzados, robots para producción, 
etc. 
 Hay distintos tipos de productos: transistores, diodos, circuitos integrados, monocristales, 
películas delgadas. 
El más importante de los materiales electrónicos es el silicio puro, que se puede modificar de 
distintos modos para cambiar sus características eléctricas. Esto posibilita que los complejos 
circuitos electrónicos puedan ser miniaturizados en un chip de silicio de aproximadamente un 
0,635 cm2. 
 
Estructura atómica: Presenta una característica común. Está formada por átomos tetravalentes 
(es decir, con cuatro electrones en su última órbita), por lo que les es fácil ganar cuatro o 
perder cuatro electrones. 
 
Banda de energía 
Para que la conducción de la electricidad sea posible es necesario que haya electrones que no 
estén ligados a un enlace determinado (banda de valencia), sino que sean capaces de 
desplazarse por el cristal (banda de conducción). La separación entre la banda de valencia y la 
de conducción se llama banda prohibida (gap), porque en ella no puede haber portadores de 
corriente. En base a la existencia de bandas de energía se consideran tres situaciones: 
 Metales. Ambas bandas de energía (de valencia y conducción), se superponen. Por lo 
tanto estos materiales naturalmente son conductores eléctricos. Para que la conducción de la 
electricidadsea posible es necesario que haya electrones que no estén ligados a un enlace 
determinado (banda de valencia), sino que sean capaces de desplazarse por el cristal (banda de 
conducción). La separación entre la banda de valencia y la de conducción se llama banda 
prohibida (gap), porque en ella no puede haber portadores de corriente. Así podemos 
considerar tres situaciones: 
 Los aislantes (o dieléctricos), en los que la diferencia existente entre las bandas de 
energía, del orden de 6 eV impide, en condiciones normales el salto de los electrones. 
 Los semiconductores, en los que el salto de energía es pequeño, del orden de 1 eV, por 
lo que suministrando energía pueden conducir la electricidad; pero además, su conductividad 
http://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad
http://es.wikipedia.org/wiki/Banda_de_valencia
http://es.wikipedia.org/wiki/Banda_de_conducci%C3%B3n
http://es.wikipedia.org/wiki/Banda_de_conducci%C3%B3n
http://es.wikipedia.org/wiki/EV
Ingeniería de Materiales 33 
puede regularse, puesto que bastará disminuir la energía aportada para que sea menor el 
número de electrones que salte a la banda de conducción; cosa que no puede hacerse con los 
metales, cuya conductividad es constante, o mas propiamente, poco variable con la 
temperatura. 
Competencia entre materiales 
El estudio metódico y sistemático desarrollado por el hombre hace que permanentemente se 
produzca una competencia entre los diferentes tipos de materiales por su existencia y los 
nuevos mercados. De unos a otros períodos de tiempo, aparecen factores que hacen posible la 
sustitución de un material por otro para ciertas aplicaciones. Evidentemente, el costo es un 
factor fundamental. Si se hace un descubrimiento importante en el procesado de un cierto tipo 
de material de manera que su costo disminuya significativamente, dicho material puede 
reemplazar a otro en ciertas aplicaciones. 
Otro factor que da lugar a reemplazo de los materiales es el desarrollo de uno nuevo con 
propiedades especiales para algunas aplicaciones. Estas circunstancias hacen que después de 
un cierto periodo de tiempo algunos materiales hayan cambiado. 
La Fig. 1 muestra gráficamente como la producción de materiales en los países de avanzada ha 
variado a lo largo de los últimos años. El aluminio y los polímeros muestran un aumento 
significativo en la producción desde 1930. La razón de que el volumen de producción se haya 
incrementado para el aluminio y aún más para los polímeros, es que se trata de materiales 
ligeros. 
La competición entre materiales resulta evidente cuando se analiza la composición del 
automóvil. En 1978 el automóvil medio pesaba 1800 Kg. y estaba compuesto aproximadamente 
por un 60 % de hierro y acero, un 10 a 20 % de plásticos y un 3 a 5 % de aluminio. En 1985 el 
peso de estos automóviles era de alrededor de 1400 Kg. y constaba de un 50 a 60 % de hierro y 
acero, un 10 a 20 % de plásticos y un 5 a 10 % de aluminio. 
Así, en el período 1978-1985 el porcentaje de acero descendió, el de aluminio se incrementó, y 
el de los plásticos permaneció aproximadamente constante. El automóvil de la década de los 90 
pesaba una media de 1130 Kg., de los cuales su contenido en plásticos representaba el 30 % de 
su peso. En la Fig. 2 se observan las variaciones en las cantidades de los diferentes materiales 
utilizados en esta importante industria. 
En algunas aplicaciones, sólo ciertos materiales satisfacen los requerimientos de diseño y por 
lo tanto pueden ser relativamente caros. Por ejemplo, un motor de avión moderno requiere 
para funcionar superaleaciones de alta temperatura a base níquel. Estos materiales además de 
ser de costo elevado no tienen sustitutos económicos. 
De esta manera, aunque el costo sea un factor importante en el diseño de determinados 
equipos, los materiales utilizados deben reunir también características específicas. 
La sustitución de un material por otro continuará en el futuro ya que se descubrirán otros 
materiales y se desarrollarán nuevos procesos productivos. 
Tendencias 
Materiales metálicos 
La producción de metales básicos tales como hierro, acero, aluminio, cobre, cinc y magnesio, se 
espera que siga fielmente la evolución de la economía en los países industrializados. 
Seguramente las aleaciones existentes podrán ser mejoradas por una química más optimizada y 
Ingeniería de Materiales 34 
un mayor control de la composición y las técnicas de procesamiento. 
Las nuevas aleaciones aerospaciales, tales como las superaleaciones de base níquel para altas 
temperaturas, están siendo constantemente reformadas para aumentar su tenacidad a altas 
temperaturas y su resistencia a la corrosión. Estas aleaciones se usan para motores de aviones y 
se puede obtener un aumento en la eficiencia del motor operando a temperaturas más altas. 
Con nuevas técnicas de procesado como la presión isostática en caliente (HIP) y la forja 
isotérmica es posible lograr mejoras en la vida en servicio de las aleaciones para aeronáutica. 
Asimismo, técnicas tales como la pulvimetalurgía, la refusión bajo escoria electroconductora, 
etc., continuarán siendo importantes, ya que pueden optimizar las propiedades de ciertas 
aleaciones con costos mas reducidos para los productos terminados. La tecnología de 
solidificación rápida ya puede producir aleaciones metálicas susceptibles de enfriamiento 
rápido desde la fusión a velocidades tan altas como millón de grades centígrados por segundo. 
Las partículas son conformadas en barras por medio de diferentes procesos como HIP y otros. 
Materiales plásticos 
Históricamente, los polímeros han sido el material básico de más rápido crecimiento, con un 
índice de 9 % por año en peso. Sin embargo, en el futuro se espera que dicho crecimiento baje 
por debajo del 5 %, lo cuál supone una disminución significativa. Esta caída es esperada, porque 
los plásticos ya han sustituido a metales y vidrios en la mayoría de los mercados de volumen 
importante. 
Según algunas predicciones, los plásticos tales como el nylon deberán competir con los metales. 
En la Fig. 3 se muestran costos para los polímeros frente a algunos metales comunes. Se espera 
que, con excepción del acero laminado en caliente, los plásticos sean los materiales menos 
caros. Una importante tendencia en el desarrollo de los plásticos es combinar diferentes 
materiales poliméricos. 
Cerámicos 
El crecimiento histórico de uso de los materiales cerámicos tradicionales tales como el 
cemento, el vidrio y ladrillos fue del 3,5 % entre 1965 a 1980. El índice de crecimiento esperado 
de estos materiales desde 1982 a 1995 fue de un 2 % aproximadamente. En la pasada década, 
hizo su aparición una nueva familia de cerámicos a base de nitruros, carburos y óxidos. Se están 
encontrando constantemente nuevas aplicaciones para estos materiales, particularmente para 
usos a alta temperatura y para electrónica. 
Los materiales cerámicos son de bajo costo, pero su procesado hasta la obtención de productos 
terminados es lento y laborioso. Además, la mayoría se daña fácilmente por impacto a causa 
de su baja o nula ductilidad. Si se pudieran encontrar nuevas técnicas para el desarrollo de 
cerámicos de alta resistencia al impacto, estos materiales podrían mostrar un resurgimiento. 
Materiales compuestos 
Los plásticos reforzados con fibras son el tipo principal de materiales compuestos usados en la 
industria, siendo el vidrio la fibra dominante. Esta industria creció desde 1980 a 1987, a un 
índice medio anual de 3 % por año. 
Los materiales compuestos avanzados, como las combinaciones epoxi de fibra de vidrio y de 
grafito, son cada vez más importantes en aplicaciones estructurales críticas. Se ha predicho 
para el futuro mediato un incremento anual medio de 5 % en el uso de estos materiales. Se 
espera que los aviones comerciales de nuevo desarrollo se construyan con materiales 
compuestos cada vez más avanzados. 
Ingeniería de Materiales 35 
Materiales electrónicos 
El usodel silicio y otros materiales semiconductores en estado sólido y microelectrónico han 
mostrado un firme crecimiento desde 1970 y se espera que esta tendencia continúe en la 
presente década. El impacto de los ordenadores y otros tipos de equipamiento industrial con 
circuitos integrados formados por chips de silicio ha sido espectacular. Aún falta determinar el 
efecto completo de los robots computarizados en la industria moderna. Los materiales 
electrónicos indudablemente desempeñaran un rol fundamental en las industrias del futuro, en 
las que casi toda la manufactura podrá ser realizada por robots asistidos por máquinas 
controladas por computadoras. 
A lo largo de estos años se vienen fabricando circuitos integrados que tienen cada vez mayor 
densidad de transistores localizados en un solo chip de silicio, con la inherente reducción del 
tamaño del transistor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Fig. 1 – Competición de materiales en países de avanzada en base a su peso 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Producción mundial 
(Millones t/año) 
Acero 1200 
Aluminio 30 
Cobre 15 
Año 2006 
Ingeniería de Materiales 36 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Fig. 2 – Predicción de cantidad de materiales utilizados en automóviles 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 3 – Costos competitivos históricos de plásticos frente a otros materiales 
Ingeniería de Materiales 37 
Metodología de estudio 
Se establecen relaciones entre microestructura-propiedades y procesamiento (productos 
semielaborados y terminados) 
En Tecnología de Materiales, el objetivo es convertir materiales en componentes útiles 
(productos terminados). Un esquema de estudio aplicable es el siguiente: 
 
 
 
 
 
Ejemplos: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ingeniería de Materiales 38 
Funcionalidad. Es conveniente tener en cuenta la función de cada componente en servicio. En 
el siguiente esquema se presentan casos característicos: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Criterios de diseño 
En ingeniería se utilizan entre otros elementos de trabajo, criterios de diseño que forman parte 
de los fundamentos de la evolución de la tecnología. Por esta razón es que la ciencia contribuye 
en forma casi insignificante a la tecnología. En la actividad científica, la preparación y 
comportamiento de recursos humanos, el concepto de la competitividad y productividad, la 
incidencia en la sociedad y políticas de estado, etc., no forman parte de su filosofía. En general 
la actividad científica requiere del aporte económico de la tecnología. Entonces, puede 
afirmarse que la ciencia depende de la tecnología? Tal vez. 
Un criterio de gran aplicación en tecnología es aquel que establece que el diseño de estructuras 
debe basarse en lograr la mayor relación posible resistencia mecánica-peso (o densidad). 
Otros criterios son: 
- La obtención de alta resistencia mecánica sin pérdida de tenacidad. 
- Alta resistencia mecánica con alto grado de conformabilidad 
- Isotropía en propiedades mecánicas 
- Alta resistencia mecánica a alta temperatura 
- Alta conductividad eléctrica a alta temperatura 
- Alta maquinabilidad con tenacidad 
 
 
 
 
 
Ingeniería de Materiales 39 
Nanotecnología 
En el comportamiento y propiedades de los materiales es importante la composición química y 
genéricamente la estructura. 
La estructura de los materiales se divide en: 
- Macroestructura 
- Microestructura 
- Nanoestructura 
- Arreglos atómicos de corto y largo alcance 
- Estructura interna 
El estudio de la macroestructura y la microestructura han dominado las décadas pasadas en el 
tratamiento y uso de los materiales. Estas acepciones están relacionadas con la escala métrica. 
Por lo tanto cuando se hace referencia a la microestructura se entiende que se utilizaran 
medios ópticos para distinguir dimensiones del orden de los micrones (1 micrón = 10-6 metro). 
Aquí no hay demasiado margen para discutir el uso del microscopio óptico y electrónico. Desde 
este punto de vista, el estudio de la macroestructura implica la observación directa de las 
características de los materiales. Esto está relacionado con la técnica de inspección visual que el 
campo de la alta producción y constituye una herramienta valiosa para la toma de decisiones 
de aptitud. 
La nanoestructura tiene relación con el estudio de comportamiento y propiedades de los 
materiales a escala nanométrica (1 nm = 10-9 m) 
 
Nanotecnología y nanociencia 
La nanotecnología es un campo de producción dedicado al control y manipulación de 
la materia a una escala menor que un micrómetro dando lugar a los nanomateriales. Lo 
frecuente es que tal manipulación se produzca en un rango de entre diez y cien nanómetros. Se 
tiene una idea de lo pequeño que puede ser un nanobot sabiendo que un nanobot de unos 
50 nm tiene el tamaño de 5 capas de moléculas o átomos, dependiendo de qué esté fabricado 
el nanobot. 
Nano- es un prefijo griego que indica una medida, no un objeto, de manera que la 
nanotecnología se caracteriza por ser un campo esencialmente multidisciplinar, y cohesionado 
exclusivamente por la escala de la materia con la que trabaja. 
 La nanociencia tiene relación con el estudio científico de las propiedades a escala nanométrica. 
Obviamente la microtecnología tiene relación con con el campo productivo de componentes de 
escala micrométrica. 
 
Inversiones 
Algunos países en vías de desarrollo ya destinan importantes recursos a la investigación en 
nanotecnología. La nanomedicina es una de las áreas que más puede contribuir a un avance 
sostenible, proporcionando nuevos métodos de diagnóstico y cribaje de enfermedades, 
mejores sistemas para la administración de fármacos y herramientas para la monitorización de 
algunos parámetros biológicos. 
Actualmente, alrededor de 40 laboratorios en todo el mundo canalizan grandes cantidades de 
dinero para la investigación en nanotecnología. Unas 300 empresas tienen el término “nano”en 
su nombre, aunque todavía hay muy pocos productos en el mercado. 
Algunos gigantes del mundo informático como IBM, Hewlett-Packard ('HP)'NEC e Intel están 
invirtiendo millones de dólares al año en el tema. Los gobiernos del llamado Primer Mundo 
también se han tomado el tema muy en serio, con el claro liderazgo del gobierno 
http://es.wikipedia.org/wiki/Materia
http://es.wikipedia.org/wiki/Micr%C3%B3metro
http://es.wikipedia.org/wiki/Nanomateriales
http://es.wikipedia.org/wiki/Nan%C3%B3metro
http://es.wikipedia.org/wiki/Nanobot
http://es.wikipedia.org/wiki/Nan%C3%B3metros
http://es.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9culas
http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomos
http://es.wikipedia.org/wiki/Nano_(prefijo)
http://es.wikipedia.org/wiki/Prefijo
http://es.wikipedia.org/wiki/Nanomedicina
http://es.wikipedia.org/wiki/Laboratorio
http://es.wikipedia.org/wiki/IBM
http://es.wikipedia.org/wiki/Hewlett-Packard
http://es.wikipedia.org/wiki/NEC
http://es.wikipedia.org/wiki/Intel
http://es.wikipedia.org/wiki/D%C3%B3lar
Ingeniería de Materiales 40 
estadounidense, que para este año ha destinado 570 millones de dólares a su National 
Nanotechnology Initiative. 
En España, los científicos hablan de “nanopresupuestos”. Pero el interés crece, ya que ha 
habido algunos congresos sobre el tema: en Sevilla, en la Fundación San Telmo, sobre 
oportunidades de inversión, y en Madrid, con una reunión entre responsables de centros de 
nanotecnología de Francia, Alemania y Reino Unido en la Universidad Autónoma de Madrid. 
Las empresas tradicionales podrán beneficiarse de la nanotecnologia para mejorar su 
competitividad en sectores habituales, como textil, alimentación, calzado, automoción, 
construcción y salud. Lo que se pretende es que las empresas pertenecientes a sectores 
tradicionales incorporen y apliquen la nanotectologia en sus procesos con el fin de contribuir a 
la sostenibilidad del empleo. Actualmente la cifra en uso cotidianoes del 0,1 % Con la ayuda de 
programas de acceso a la nanotecnologia se prevé que en 2014 sea del 15 % en el uso y la 
producción manufacturera. 
 
Futuras aplicaciones 
Según un informe de un grupo de investigadores de la Universidad de Toronto, en Canadá, las 
quince aplicaciones más prometedoras de la nanotecnología son: 
 Almacenamiento, producción y conversión de energía. 
 Armamento y sistemas de defensa. 
 Producción agrícola. 
 Tratamiento y descontaminación de aguas. 
 Diagnóstico y cribaje de enfermedades. 
 Sistemas de administración de fármacos. 
 Procesamiento de alimentos. 
 Descontaminación atmosférica. 
 Construcción. 
 Monitorización de la salud. 
 Detección y control de plagas. 
 Control de desnutrición en lugares pobres 
 Informática. 
 Alimentos transgénicos 
 Cambios térmicos moleculares (Nanotermología) 
 
Enfoque 
Se puede pensar que la “construcción” de elementos nano es conveniente lograr desde el 
mundo macro (ir de lo mayor a la escala nanométrica). Se trataría de aplicar el método de la 
química denominado análisis. En principio es más frecuente ir de la escala atómica y molecular 
a la obtención de componentes nanotecnológicos (modelo de síntesis en química). Cualquiera 
de estos puntos de partida tiene validez a los efectos de obtener productos nanométricos. 
Incluso pueden existir casos en los que se disponga de una sola alternativa. 
Nanotubos de carbono 
http://es.wikipedia.org/wiki/Espa%C3%B1a
http://es.wikipedia.org/wiki/Sevilla
http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Fundaci%C3%B3n_San_Telmo&action=edit&redlink=1
http://es.wikipedia.org/wiki/Madrid
http://es.wikipedia.org/wiki/Francia
http://es.wikipedia.org/wiki/Alemania
http://es.wikipedia.org/wiki/Reino_Unido
http://es.wikipedia.org/wiki/Universidad_Aut%C3%B3noma_de_Madrid
http://es.wikipedia.org/wiki/Toronto
http://es.wikipedia.org/wiki/Canad%C3%A1
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa
http://es.wikipedia.org/wiki/Agricultura
http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%A1rmaco
http://es.wikipedia.org/wiki/Plaga
http://es.wikipedia.org/wiki/Nanotermolog%C3%ADa
Ingeniería de Materiales 41 
Niveles de energía de los electrones 
Un átomo está formado por electrones orbitando alrededor de un núcleo. Los electrones 
pueden ubicarse en órbitas con determinados niveles de energía. Pueden saltar de un nivel de 
energía a otro pero no pueden tener órbitas con otras energías distintas a las permitidas 
(mecánica cuántica). 
 
 
El átomo de hidrógeno 
El átomo es neutro desde el punto de vista da las cargas eléctricas. Los niveles de energía están 
dados por el siguiente esquema: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Un electronvoltio, es la energía que el electrón gana cuando viaja a través de una diferencia de 
potencial un voltio (1 eV = 1.6x10-19 J). 
Los electrones deben estar en uno de los niveles de energía permitidos. Si un electrón está en 
el nivel 1 (n=1), debe tener -13.6 eV de energía. Si está en el nivel 2, debe tener -3.4 eV. El 
electrón no puede tener -9 ó -13 eV. 
Si el electrón quiere saltar del nivel 1 al nivel 2, dado que el segundo nivel tiene mayor energía 
que el primero, dicho electrón debe ganar energía. Tiene que ganar -3.4-(-13.6) eV=10.2 eV 
para pasar del nivel 1 al nivel 2. 
El electrón puede ganar energía absorbiendo luz. Si el electrón salta del nivel 2 al nivel 1, debe 
deshacerse de una parte de su energía emitiendo luz. El átomo emite o absorbe luz en 
paquetes discretos llamados fotones. Cada fotón tiene una energía definida. Solo un fotón con 
una energía de 10.2 eV puede ser absorbido o emitido cuando un electrón salta entre los 
niveles 1 y 2. 
La energía que transporta un fotón depende de la longitud de onda. Como los fotones emitidos 
por los electrones saltando entre los niveles de energía n=1 y n=2, deben tener 10.2 eV de 
energía, la luz absorbida o emitida debe tener una longitud de onda definida. Esta longitud de 
onda se puede determinar mediante la siguiente ecuación: 
𝐸 = ℎ𝑐/𝜆 (E: energía del fotón en eV; h: constante de Planck 4.14*10-15 eV s; c: velocidad de la 
Nivel de energía (n)
En
e
rg
ía
 (e
V
)
Niveles de energía del átomo de hidrógeno
Ingeniería de Materiales 42 
luz 3*108 m/s) 
La ecuación queda: 𝜆 = ℎ𝑐/𝐸 
Un fotón de energía 10.2 eV, tiene una longitud de onda de 1.21*10-7 m, en la parte ultravioleta 
del espectro. Cuando un electrón cae del nivel 2 al nivel 1, emite un fotón de luz ultravioleta. 
El salto del nivel 2 al nivel 3, requiere menor energía. Solo 1.89 eV para este salto. Para pasar 
del nivel 3 al 4, requiere menor energía que de n=2 a n=3 y menos para ir de n=4 a n=5. 
Que sucede si el electrón gana suficiente energía para saltar hasta el nivel 0. El electrón se 
libera del átomo. En el caso del hidrógeno se forma el ión de Hidrógeno. 
Tabla que muestra los primeros cinco niveles de energía de un átomo de Hidrógeno. 
 
 
 
 
 
 
 
Ejercicio 1 
Encontrar la longitud de onda del fotón emitido cuando un electrón salta del nivel 3 al nivel 2. 
Donde está el fotón en el espectro electromagnético? 
Ejercicio 2 
La tabla muestra valores de energía de un átomo de Helio ionizado una vez. Un ión con dos 
protones, dos neutrones y un electrón. Cuanta energía pierde el ión cuando el electrón salta del 
nivel 2 al nivel 1? 
 
 
 
 
 
 
 
Cuál es la longitud de onda del fotón emitido cuando el electrón salta del nivel 2 al nivel 1 en un 
átomo de Helio ionizado una vez? Donde está el fotón en el espectro electromagnético? 
Este método se puede utilizar para encontrar las longitudes de onda emitidas por electrones 
saltando entre niveles de energía de diferentes elementos. Sin embargo, encontrar los niveles 
de energía correctos es difícil en átomos grandes con muchos electrones. Tanto es así que los 
niveles de energía de un átomo de Helio neutro son diferentes de los niveles de energía de un 
átomo de Helio ionizado una vez. 
Los niveles de energía se encuentran calculados para todos los elementos (ver en la web). 
Ingeniería de Materiales 43 
Modelos atómicos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1916 Modelo atómico 
de Sommerfeld 
Arnold Sommerfeld modifica el modelo 
atómico de Bohr, en el cual los 
electrones solo giraban en órbitas 
circulares. Establece que las órbitas 
podían ser también elípticas 
 
1926 Modelo actual 
Modelo atómico 
De Schrödinger 
En el modelo se Schrödinger se 
abandona la concepción de los 
electrones como esferas diminutas que 
giran alrededor de un núcleo. Se 
describe el estado energético de los 
electrones por medio de una función de 
onda, cuyo cuadrado representa la 
probabilidad de presencia en una región 
delimitida del espacio