Journal of Materials Education University of North Texas vsm@.uaemex.mx ISSN (Versión impresa): 0738-7989 MÉXICO 2004 C.N.R. Rao LA QUÍMICA EN LA EDUCACIÓN DE MATERIALES Journal of Materials Education, año/vol. 26, número 1-2 Universidad Autónoma del Estado de México: University of North Texas Toluca, México pp. 181-183
: 181-184 (2004) LA QUÍMICA EN LA EDUCACIÓN DE MATERIALES C.N.R. Rao Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research, Bangalore 560 064, India; cnrrao@jncasr.ac.in RESUMEN La química está jugando un rol cada vez mayor en la síntesis y diseño de materiales. Al mismo tiempo, la química por sí misma está experimentando una gran transformación y va más allá del dominio molecular. La química de materiales ha surgido para convertirse en parte integral de la química común principal de las dos últimas décadas. Por eso es importante que la nueva química sea parte de la educación de materiales en todos los niveles. La química de materiales debe ser una parte integral de los cursos de licenciatura y posgrado en ciencia de materiales. Palabras clave: India, educación, química, materiales. INTRODUCCIÓN La química por sí misma es una ciencia de materiales y tiene que ver con muchos miles de materiales de diferentes estructuras, composiciones y propiedades. Tradicionalmente, los químicos enseñaban cursos de materiales tales como el cemento y el acero a los estudiantes de ingeniería y química industrial. Sin embargo, esta situación ha cambiado. Actualmente, la química de materiales forma parte del flujo principal de la química y su alcance es siempre amplio. La química forma una importante parte de la ciencia de materiales. Sin la química, es realmente difícil, pero posible, sintetizar y diseñar una amplia variedad de materiales. Permítanos no olvidar que los químicos han descubierto varios nuevos e innovadores materiales de gran importancia y también varias estrategias de síntesis. Claramente, un antecedente apropiado de la química es esencial para cada científico en materiales e ingeniería. Ya sea para corrosión o para gran magnetorresistencia, enarenar o superconductividad, la química juega un papel crucial. QUÍMICA DE MATERIALES La química de materiales como la entendemos hoy en día es relativamente de reciente origen. En los últimos 25 años aproximadamente, el material ha surgido para convertirse en una importante dirección en la química moderna, habiendo incorporado todos los aspectos notables de la química del estado sólido. Mientras que la química del estado sólido sea considerada como una materia académica más formal que represente la contraparte química de
182 Rao la física del estado sólido, la química de materiales tiene que ver con estructura, respuesta y función y tiene como último fin desarrollar materiales nuevos o el entendimiento de las relaciones estructurapropiedades y el fenómeno relacionado con un amplio rango de materiales. La estructura y síntesis son parte integral de la materia, y están completamente utilizadas en las estrategias de confección de materiales a la medida con propiedades deseables y controlables, sean éstas electrónicas, magnéticas, ópticas, dieléctricas, térmicas, absorbentes o catalíticas. Los materiales pueden ser orgánicos, inorgánicos, o biológicos y pueden estar en cualquier estado de condensación de materia. La química de materiales es de esta manera una verdadera materia interdisciplinaria que incorpora los principios, sistemas y práctica de todas las áreas de la química y basada en los principios acertados de la física. Con esta descripción, se vuelve difícil clasificar los materiales en comparación con primeros años cuando era común clasificarlos como cerámicas, metales, orgánicos y así sucesivamente. Ahora, tenemos metales orgánicos, superconductores y materiales no lineales, así como los equivalentes cerámicos. Es probable que sea más conveniente clasificar los materiales basados en propiedades o fenómenos. Por ejemplo, los sólidos porosos, superconductores, polímeros, ferrosos y compositos cubren todo tipo de constituyentes químicos. Sin embargo, es común distinguir sólidos moleculares de sólidos extendidos, ya que representan dos descripciones limitadas. La química de materiales contiene todos los elementos de la química moderna. Esto incluye la síntesis, estructura, dinámicas y propiedades. En la síntesis, uno emplea todos los métodos y condiciones posibles de técnicas de alta temperatura y alta presión para suavizar los métodos de solución (Química dulce o química suave). Los métodos químicos generalmente tienden a ser más delicados, con frecuencia producen productos nuevos y meta estables. Más que el control termodinámico de reacciones, la cinética favorece la formación de dichas estructuras. La organización supramolecular provee maneras de diseñar nuevos materiales. La química de materiales es tan vieja como la propia química. La controversia más reciente sobre si los componentes eran estequiométricos (Ej. NaCl) o no estequiométricos (Fe x S) puede ser considerado como el principio de la invasión química dentro de la química de sólidos. El problema fue únicamente resolver a finales de los años 60 cuando fue claro que las vacantes no eran toleradas en altas concentraciones en óxidos y en otros sólidos inorgánicos. El estudio de compuestos no estequiométricos, descomposición de sólidos y otras reacciones de estado sólido ocuparon mucha de la atención de la química de estado sólido en los 50s. Había también algún esfuerzo durante el periodo de comprensión de las propiedades eléctricas y ópticas tales como el antraceno. Sin embargo, a finales de los años 60, hubo un considerable trabajo en materiales inorgánicos complejos, especialmente de óxidos y sulfuros de diversas estructuras. Uno incluso puede racionalizar las propiedades magnéticas y electrónicas de tales materiales basadas en sus estructuras electrónicas y cristalinas. Los materiales óxidos llegaron a ser conocidos en este periodo, así como los polímeros de conducción. La transición de metales aislantes en óxidos tales como el V 2 O 3 también tomaron la delantera durante este periodo. La transición de óxidos de metal constituyó una parte principal de la química de materiales reciente y continúa dominando la materia. No es sorprendente que algunos de los principales descubrimientos estén también en el área de los materiales óxidos. Esto incluye superconductividad de alta temperatura y gran resistencia magnética. En vista de la importancia de la química de los materiales a química y materiales, es necesario apuntar la necesidad crucial de enseñar la materia a todos aquellos involucrados en la investigación y educación en materiales.
La Química en la Educación de Materiales 183 DISEÑO QUÍMICO Aunque los materiales han sido diseñados y sintetizados empleando diversas estrategias, la química suave (química dulce) ofrece nuevas rutas para conocer materiales y también campos enteros de nuevos materiales en que la mayoría son metaestables. Permítanos enlistar algunos de los métodos: - Intercambio de iones - intercalación - metátesis - solgel - reacciones solvotermales - reacciones topo químicas Hay mucho interés actualmente por encontrar técnicas ambientales, a través de la química suave para sintetizar nuevos materiales. BASES PARA SER ENSEÑADAS Los siguientes aspectos químicos tienen que ser parte de la educación de materiales en todos los niveles: - Química del cristal - Estrategias químicas para sintetizar materiales - Estructura y unión y su relación con propiedades - Biología química Los temas que pueden formar parte de la educación en materiales a nivel de especialización son los siguientes: - Aspectos electroquímicos - Aspectos fotoquímicos - Catálisis - Diseño químico de materiales - Materiales orgánicos y materiales híbridos FUTURO La química fue dominada hasta hace poco por moléculas principalmente. La química supramolecular, auto ensamblaje, compuestos híbridos y tales temas ahora han comenzado a dominar la química. El futuro de la química va ciertamente más allá del dominio molecular como se pronunció recientemente en el reporte de la Academia Nacional de Ciencias de EU. Los materiales constituyen un nuevo camino principal de la química seguido sólo por la biología. Entonces, la biología por sí misma tiene mucha imbricación con los materiales, así como en la educación de materiales. La química, como otra ciencia, es crucial en la futurista ciencia de materiales que incorpora a todas las ciencias y a la ingeniería.
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