Exercicis: Nous materials i sostenibilitat

Explica què és un material intel·ligent i posa un exemple d'un que s'utilitzi en un producte quotidià, indicant a quin estímul reacciona (temperatura, llum, electricitat...).

En seleccionar un material per a un producte cal valorar diversos criteris alhora. Anomena i explica tres criteris de selecció (per exemple: propietats mecàniques, cost, impacte ambiental, disponibilitat, aspecte...).

La imatge mostra quatre mostres numerades de materials tècnics representatius de les quatre famílies estudiades.

Observa el seu aspecte (lluentor, textura, estructura interna visible) i assigna a cada número la seva família de materials, justificant cada assignació amb una pista visual.

Explica què és un bioplàstic, de quines matèries primeres es pot obtenir (blat de moro, canya de sucre, residus vegetals) i un producte quotidià on ja s'utilitzi.

Explica què és un material amb memòria de forma i descriu com s'aprofita en una aplicació coneguda (muntures d'ulleres que recuperen la seva forma, stents mèdics que s'expandeixen amb la calor del cos).

Què és el grafè? Descriu-lo en dues frases (una làmina de carboni d'un àtom de gruix) i anomena una propietat seva extraordinària que interessi a la tecnologia.

Anomena i explica tres criteris de sostenibilitat que hauries de revisar abans de triar un material (origen renovable o reciclat, reciclabilitat, petjada de carboni de la seva producció, toxicitat...).

Explica en dues frases què és una anàlisi de cicle de vida (ACV) d'un producte i per a què la fan servir els dissenyadors quan comparen dos materials candidats.

Explica quina diferència hi ha entre un bioplàstic i un plàstic convencional quant a origen i a comportament al final de la seva vida útil, i comenta per què «bioplàstic» no sempre significa «biodegradable».

Observa de nou les quatre mostres numerades de la imatge.

Indica quina mostra triaries per fabricar (a) l'ala lleugera i resistent d'un dron, (b) un recipient que suporta la calor del forn i (c) una carcassa barata i emmotllable de comandament a distància, raonant cada tria amb les propietats de la família corresponent.

Una empresa de motxilles compara dos teixits candidats segons tres criteris puntuats de 0 a 10, tal com es mostra a la figura.

Llegeix les puntuacions de cada teixit en els tres criteris i explica quin teixit triaries per a una motxilla escolar i quin per a una motxilla de muntanya, justificant cada decisió amb les dades del gràfic.

L'aerogel és un dels millors aïllants tèrmics coneguts i gairebé no pesa. Explica per què no s'utilitza avui de manera massiva en la construcció d'habitatges (cost, fragilitat, producció limitada) i en quines aplicacions especials sí que compensa el seu preu (aeroespacial, canonades crítiques).

Compara la fibra de carboni i la fibra de vidre com a reforços de materials compostos: prestacions mecàniques, pes, cost i una aplicació típica de cadascuna on la seva tria és clara (competició enfront d'ús general).

Explica què és un material autoreparable (autocurable), com funciona bàsicament (microcàpsules amb agent reparador, xarxes internes que es reordenen) i descriu dues aplicacions on estalviaria manteniment (carrosseries, pantalles, canonades).

Per al xassís d'un dron de curses (massa mínima, xocs freqüents, pressupost mitjà) dubtes entre ABS imprès en 3D, fibra de carboni i alumini. Analitza cada opció (pes, resistència a l'impacte, reparabilitat, cost) i justifica la teva elecció final.

Un implant dental ha de conviure amb el cos durant dècades. Enumera els requisits del material (biocompatibilitat, resistència mecànica i a la fatiga, no degradar-se ni desprendre substàncies) i explica per què el titani o certes ceràmiques són l'elecció habitual enfront de l'acer comú.

Per a un envàs d'aliments, el material més barat no és el més sostenible i el més sostenible encareix el producte. Proposa un mètode de decisió multicriteri (criteris, ponderació i puntuació) que permeti triar de manera justificada, i aplica'l a dos materials reals que tu triïs.

Imagina que necessites un material que encara no existeix per a una funda de mòbil que es repari sola quan es ratlli. Redacta una breu especificació: propietats que ha de complir, com comprovaries cadascuna i quins criteris de sostenibilitat exigiries en la seva fabricació.

Una empresa dissenya una batedora de mà domèstica. Per abaratir costos, l'equip tècnic proposa fabricar l'engranatge reductor principal acoblat al motor de niló (PA66) sense lubricació permanent i termosellar la carcassa exterior d'ABS, impedint la seva obertura sense trencar-la. El conjunt té un temps mitjà fins a la fallada previst de 2,5 anys amb un ús domèstic normal (just en expirar la garantia legal). (a) Justifica tècnicament per què aquesta selecció de materials i procés d'unió respon a un patró d'obsolescència programada enfront d'una fallada mecànica fortuïta. (b) Proposa dues modificacions tècniques concretes (una de canvi de material o tractament superficial per a l'engranatge i una altra de disseny d'unions per a la carcassa) que tripliquin la vida útil de l'aparell facilitant-ne la reparació, i analitza el compromís entre l'increment del cost inicial de fabricació i l'impacte ambiental al llarg del seu cicle de vida.

Per a la carcassa d'un portàtil es valoren tres materials amb aquests criteris ponderats: pes (40 %), cost (30 %) i reciclabilitat (30 %). Les puntuacions (0-10) són: alumini (pes 6, cost 5, reciclabilitat 9), magnesi (9, 3, 6) i ABS (7, 8, 3). (a) Calcula la puntuació ponderada de cada material i decideix quin triaries amb els números a la mà. (b) Analitza com canvia la decisió si el cost passa a ponderar el 50 %, i comenta què ensenya això sobre les matrius de decisió.

Una empresa comercialitza ampolles d'aigua fabricades amb PLA (àcid polilàctic) sota el reclam: «100 % biodegradable: desapareix a la natura sense deixar rastre». Un laboratori independent assaja la pèrdua de massa de l'envàs durant 180 dies en tres medis diferents: (1) Planta de compostatge industrial a 58 °C i 60 % d'humitat relativa: 94,5 % de degradació; (2) Aigua de mar a 18 °C: 0,6 % de degradació; (3) Abocador convencional anaeròbic a 22 °C: 1,8 % de degradació amb generació de metà. (a) A partir de les dades, rebat tècnicament l'afirmació publicitària i prediu quin impacte ambiental provocarà aquest envàs si acaba dispers en el medi marí o si els usuaris el llencen al contenidor groc barrejant-lo amb el PET tradicional. (b) Justifica per què el PLA es degrada ràpidament en compostatge industrial però resulta gairebé inert al mar, relacionant el procés amb la temperatura de transició vítria del polímer (Tg ≈ 60 °C).

Un fabricant de bicicletes de competició promociona un nou quadre amb matriu epoxi reforçada amb nanotubs de carboni (CNT) a l'1,5 % en massa, afirmant que «gràcies a la nanotecnologia és el doble de resistent que el carboni estàndard i representa un material ecològic i totalment segur». (a) Justifica des de la ciència de materials per què una fracció volumètrica tan petita de nanomaterial pot incrementar d'una manera tan acusada el mòdul elàstic i la tenacitat de la resina (relaciona la superfície específica del nanomaterial amb la transferència de tensions a escala molecular). (b) Rebat amb dos arguments tècnics l'afirmació que és un material «ecològic i segur»: identifica el risc toxicològic específic per inhalació durant les operacions de mecanització o poliment al taller i analitza la viabilitat real de separar i reciclar aquest material compost al final de la seva vida útil.

Una empresa afirma haver desenvolupat un protector de pantalla «irrompible i antiratllades» substituint el vidre temperat per una làmina de policarbonat recoberta d'una pel·lícula nanomètrica de silici. Per validar-ne la comercialització, has de dissenyar el seu plec de condicions tècniques. (a) Dissenya un protocol d'homologació definint quatre assajos normalitzats o quantitatius per comprovar: duresa superficial davant de la ratllada, resistència a impacte per caiguda, transmitància òptica en l'espectre visible i durabilitat de l'adherència a la pantalla. Per a cada assaig, descriu el mètode experimental i fixa un criteri numèric d'acceptació raonable amb les seves unitats. (b) Justifica per què en enginyeria de materials els conceptes d'«irrompible» i «antiratllades» suposen un compromís tècnic contradictori (duresa enfront de tenacitat), i prediu quin tipus de fallada mecànica patirà aquest protector polimèric davant d'un impacte puntual sever en comparació amb un de vidre temperat.

La normativa de Responsabilitat Ampliada del Productor obliga els fabricants d'electrodomèstics a finançar el reciclatge dels seus productes, penalitzant econòmicament els residus que no es puguin valoritzar mecànicament. El capçal d'un aspirador actual presenta el disseny següent: carcassa exterior d'ABS soldada per ultrasons amb embellidors de TPU (elastòmer) sobreinjectats, raspall giratori de polipropilè amb cerres enganxades mitjançant resina epoxi i motor intern cargolat a un xassís metàl·lic ocult. (a) Analitza quins problemes tècnics específics causaran aquests tres sistemes d'unió i mescles de materials en una planta de reciclatge i triturat mecànic. (b) Redissenya la selecció de materials i els sistemes de fixació del capçal aplicant les pautes del disseny per al desmuntatge (Design for Disassembly), garantint que un operari pugui separar els materials purs en menys de 60 segons amb eines manuals bàsiques.

Repte del tema. És la teva llar sostenible des de la ciència de materials? Assumeix el rol de consultor en ecodisseny i analitza l'impacte dels materials tècnics que t'envolten.

1. Auditoria domèstica: Selecciona 5 objectes d'ús diari a casa teva. Classifica els seus components en les famílies tècniques tradicionals (metàl·lics, polimèrics, ceràmics o compostos) i registra la seva massa aproximada amb una bàscula de cuina (en $\text{kg}$, amb una precisió de $0,01\text{ kg}$).

2. Extracció i anàlisi de dades: Entra al web de l'INE (Estadística sobre recollida i tractament de residus) i consulta el percentatge de reciclatge efectiu d'envasos plàstics i metàl·lics a Espanya. A LibreOffice Calc, elabora una taula i un gràfic comparatiu entre la massa total inventariada a la teva mostra i la taxa real de reciclatge oficial.

3. Redisseny i innovació: Tria l'objecte de la teva mostra amb pitjor cicle de vida i redacta una proposta de substitució (màxim una pàgina). Planteja reemplaçar el seu material original per un nou material tècnic (per exemple, biopolímers bacterians, grafè o aerogels), justificant la millora en propietats mecàniques, tèrmiques i el seu impacte ambiental final.

Es valorarà:

• Rigor en la classificació tècnica i precisió en el mesurament de materials.

• Qualitat del processament de dades reals de l'INE i representació amb LibreOffice Calc.

• Justificació cientificotècnica i viabilitat sostenible del nou material seleccionat.