Ejercicios: Nuevos materiales y sostenibilidad

Explicá qué es un material inteligente y poné un ejemplo de uno que se use en un producto cotidiano, indicando a qué estímulo reacciona (temperatura, luz, electricidad...).

Al seleccionar un material para un producto hay que valorar varios criterios a la vez. Nombrá y explicá tres criterios de selección (por ejemplo: propiedades mecánicas, costo, impacto ambiental, disponibilidad, aspecto...).

La imagen muestra cuatro muestras numeradas de materiales técnicos representativos de las cuatro familias estudiadas.

Observá su aspecto (brillo, textura, estructura interna visible) y asigná a cada número su familia de materiales, justificando cada asignación con una pista visual.

Explicá qué es un bioplástico, de qué materias primas puede obtenerse (maíz, caña de azúcar, residuos vegetales) y un producto cotidiano donde ya se use.

Explicá qué es un material con memoria de forma y describí cómo se aprovecha en una aplicación conocida (armazones de lentes que recuperan su forma, stents médicos que se expanden con el calor del cuerpo).

¿Qué es el grafeno? Describilo en dos frases (una lámina de carbono de un átomo de grosor) y nombrá una propiedad suya extraordinaria que interesa a la tecnología.

Nombrá y explicá tres criterios de sostenibilidad que deberías revisar antes de elegir un material (origen renovable o reciclado, reciclabilidad, huella de carbono de su producción, toxicidad...).

Explicá qué diferencia hay entre un bioplástico y un plástico convencional en cuanto a origen y a comportamiento al final de su vida útil, y comentá por qué «bioplástico» no siempre significa «biodegradable».

Fijate de nuevo en las cuatro muestras numeradas de la imagen.

Indicá qué muestra elegirías para fabricar (a) el ala ligera y resistente de un dron, (b) un recipiente que soporta el calor del horno y (c) una carcasa barata y moldeable de control remoto, razonando cada elección con las propiedades de la familia correspondiente.

Una empresa de mochilas compara dos tejidos candidatos según tres criterios puntuados de 0 a 10, como se muestra en la figura.

Leé las puntuaciones de cada tejido en los tres criterios y explicá qué tejido elegirías para una mochila escolar y cuál para una mochila de montaña, justificando cada decisión con los datos del gráfico.

El aerogel es uno de los mejores aislantes térmicos conocidos y apenas pesa. Explicá por qué no se usa hoy de forma masiva en la construcción de viviendas (costo, fragilidad, producción limitada) y en qué aplicaciones especiales sí compensa su precio (aeroespacial, tuberías críticas).

Compará la fibra de carbono y la fibra de vidrio como refuerzos de materiales compuestos: prestaciones mecánicas, peso, costo y una aplicación típica de cada una donde su elección está clara (competición frente a uso general).

Explicá qué es un material autorreparable (autocurable), cómo funciona básicamente (microcápsulas con agente reparador, redes internas que se reordenan) y describí dos aplicaciones donde ahorraría mantenimiento (carrocerías, pantallas, tuberías).

Para el chasis de un dron de carreras (masa mínima, choques frecuentes, presupuesto medio) dudás entre ABS impreso en 3D, fibra de carbono y aluminio. Analizá cada opción (peso, resistencia al impacto, reparabilidad, costo) y justificá tu elección final.

Un implante dental debe convivir con el cuerpo durante décadas. Enumerá los requisitos del material (biocompatibilidad, resistencia mecánica y a la fatiga, no degradarse ni soltar sustancias) y explicá por qué el titanio o ciertas cerámicas son la elección habitual frente al acero común.

Imaginá que necesitás un material que todavía no existe para una funda de celular que se repare sola al rayarse. Redactá una breve especificación: propiedades que debe cumplir, cómo comprobarías cada una y qué criterios de sostenibilidad exigirías en su fabricación.

Una empresa comercializa botellas de agua fabricadas con PLA (ácido poliláctico) bajo el reclamo: «100 % biodegradable: desaparece en la naturaleza sin dejar huella». Un laboratorio independiente ensaya la pérdida de masa del envase durante 180 días en tres medios distintos: (1) Planta de compostaje industrial a 58 °C y 60 % de humedad relativa: 94.5 % de degradación; (2) Agua de mar a 18 °C: 0.6 % de degradación; (3) Vertedero convencional anaeróbico a 22 °C: 1.8 % de degradación con generación de metano. (a) A partir de los datos, rebate técnicamente la afirmación publicitaria y predice qué impacto ambiental provocará este envase si acaba disperso en el medio marino o si los usuarios lo desechan en el contenedor amarillo mezclándolo con el PET tradicional. (b) Justifica por qué el PLA se degrada rápidamente en compostaje industrial pero resulta casi inerte en el mar, relacionando el proceso con la temperatura de transición vítrea del polímero (Tg ≈ 60 °C).

Un fabricante de bicicletas de competición promociona un nuevo cuadro con matriz epoxi reforzada con nanotubos de carbono (CNT) al 1.5 % en masa, afirmando que «gracias a la nanotecnología es el doble de resistente que el carbono estándar y representa un material ecológico y totalmente seguro». (a) Justifica desde la ciencia de materiales por qué una fracción volumétrica tan pequeña de nanomaterial puede incrementar de forma tan acusada el módulo elástico y la tenacidad de la resina (relaciona la superficie específica del nanomaterial con la transferencia de tensiones a nivel molecular). (b) Rebate con dos argumentos técnicos la afirmación de que es un material «ecológico y seguro»: identifica el riesgo toxicológico específico por inhalación durante las operaciones de mecanizado o lijado en taller y analiza la viabilidad real de separar y reciclar este material compuesto al final de su vida útil.

Reto del tema. ¿Es tu hogar sostenible desde la ciencia de materiales? Asumí el rol de consultor en ecodiseño y analizá el impacto de los materiales técnicos que te rodean.

1. Auditoría doméstica: Seleccioná 5 objetos de uso diario en tu casa. Clasificá sus componentes en las familias técnicas tradicionales (metálicos, poliméricos, cerámicos o compuestos) y registrá su masa aproximada con una balanza de cocina (en $\text{kg}$, con precisión de $0.01\text{ kg}$).

2. Extracción y análisis de datos: Entrá en la web del INE (Estadística sobre recogida y tratamiento de residuos) y consultá el porcentaje de reciclado efectivo de envases plásticos y metálicos en España. En LibreOffice Calc, elaborá una tabla y un gráfico comparativo entre la masa total inventariada en tu muestra y la tasa real de reciclaje oficial.

3. Rediseño e innovación: Elegí el objeto de tu muestra con peor ciclo de vida y redactá una propuesta de sustitución (máximo una página). Planteá reemplazar su material original por un nuevo material técnico (por ejemplo, biopolímeros bacterianos, grafeno o aerogeles), justificando la mejora en propiedades mecánicas, térmicas y su impacto ambiental final.

Se valorará:

• Rigor en la clasificación técnica y precisión en la medición de materiales.

• Calidad del procesamiento de datos reales del INE y representación con LibreOffice Calc.

• Justificación científico-técnica y viabilidad sostenible del nuevo material seleccionado.