Historia de la ciencia de los materiales

La ciencia de los materiales ha dado forma al desarrollo de las civilizaciones desde los albores de la humanidad. La mejora de los materiales para las herramientas y las armas ha permitido a las personas expandirse y conquistar, y los avances en el procesamiento de materiales, como la producción de acero y aluminio, siguen teniendo un impacto en la sociedad actual. Los historiadores han considerado los materiales como un aspecto tan importante de las civilizaciones que períodos enteros de tiempo se han definido por el material predominante utilizado ( Edad de Piedra , Edad de Bronce , Edad de Hierro ). Durante la mayor parte de la historia registrada, el control de los materiales se ha realizado a través de la alquimia o medios empíricos en el mejor de los casos. El estudio y el desarrollo de la química y la física ayudaron al estudio de los materiales y, finalmente, el estudio interdisciplinario de la ciencia de los materiales surgió de la fusión de estos estudios. ^[1] La historia de la ciencia de los materiales es el estudio de cómo se utilizaron y desarrollaron diferentes materiales a lo largo de la historia de la Tierra y cómo esos materiales afectaron la cultura de los pueblos de la Tierra. El término " Edad del Silicio " se utiliza a veces para referirse al período moderno de la historia durante finales del siglo XX y principios del XXI.

En muchos casos, las diferentes culturas dejan sus materiales como únicos registros; que los antropólogos pueden usar para definir la existencia de tales culturas. El uso progresivo de materiales más sofisticados permite a los arqueólogos caracterizar y distinguir entre los pueblos. Esto se debe en parte al principal material de uso en una cultura y a sus beneficios e inconvenientes asociados. Las culturas de la Edad de Piedra estaban limitadas por las rocas que podían encontrar localmente y por las que podían adquirir mediante el comercio. El uso de sílex alrededor de 300.000 a. C. a veces se considera ^{[ ¿cuándo? ]} el comienzo del uso de la cerámica . El uso de hachas de piedra pulida marca un avance significativo, porque una variedad mucho más amplia de rocas podían servir como herramientas.

La innovación en la fundición y el vaciado de metales en la Edad del Bronce comenzó a cambiar la forma en que las culturas se desarrollaban e interactuaban entre sí. ^{[ cita requerida ]} A partir de alrededor de 5500 a. C., los primeros herreros comenzaron a remodelar metales nativos de cobre y oro , sin el uso del fuego y utilizando herramientas y armas. El calentamiento del cobre y su modelado con martillos comenzó alrededor de 5000 a. C. ^{[ cita requerida ]} La fundición y el vaciado comenzaron alrededor de 4000 a. C. La metalurgia tuvo su comienzo con la reducción del cobre de su mineral alrededor de 3500 a. C. La primera aleación , el bronce , comenzó a utilizarse alrededor de 3000 a. C. ^{[ cita requerida ]}

El uso de materiales comenzó en la Edad de Piedra. Por lo general, se usaban materiales como huesos, fibras, plumas, conchas, piel de animales y arcilla para armas, herramientas, joyas y refugios. Las primeras herramientas datan de la era paleolítica, llamada Oldowan . Se trataba de herramientas creadas a partir de rocas talladas que se utilizaban para recolectar basura. ^{[ cita requerida ]} A medida que la historia avanzaba hacia la era Mesolítica, las herramientas se volvieron más complejas y simétricas en diseño con bordes más afilados. Entrando en la era Neolítica, la agricultura comenzó a desarrollarse a medida que se descubrieron nuevas formas de fabricar herramientas para la agricultura. Cerca del final de la Edad de Piedra, los humanos comenzaron a usar cobre, oro y plata como material. Debido a la suavidad de estos metales, el uso general era para fines ceremoniales y para crear adornos o decoraciones y no reemplazaba a otros materiales para su uso en herramientas. La simplicidad de las herramientas utilizadas reflejaba la comprensión simple de la especie humana de la época. ^[2]

El uso del cobre se había hecho muy evidente para las civilizaciones, como sus propiedades de elasticidad y plasticidad que permiten martillarlo en formas útiles, junto con su capacidad para fundirse y verterse en formas intrincadas. Aunque las ventajas del cobre eran muchas, el material era demasiado blando para encontrar una utilidad a gran escala. A través de la experimentación o por casualidad, las adiciones al cobre llevaron a una mayor dureza de una nueva aleación de metal, llamada bronce. ^[3] El bronce estaba compuesto originalmente de cobre y arsénico, formando bronce arsénico. ^[4]

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El trabajo del hierro se hizo popular alrededor del año 1200 a. C. En el siglo X a. C., comenzó la producción de vidrio en el antiguo Oriente Próximo . En el siglo III a. C., los habitantes de la antigua India desarrollaron el acero wootz , el primer acero de crisol . En el siglo I a. C., las técnicas de soplado de vidrio florecieron en Fenicia . En el siglo II d. C., la fabricación de acero se generalizó en la dinastía Han de China. En el siglo IV d. C. se produjo el pilar de hierro de Delhi , el ejemplo más antiguo que se conserva de acero resistente a la corrosión.

La madera , el hueso , la piedra y la tierra son algunos de los materiales que formaban las estructuras del Imperio romano . Ciertas estructuras fueron posibles gracias al carácter de la tierra sobre la que se construyeron. Los romanos mezclaron piedra caliza en polvo, ceniza volcánica encontrada en el Monte Vesubio y agua para hacer una pasta de cemento. ^[5] Una península volcánica con agregados de piedra y conglomerados que contienen material cristalino producirá material que se erosiona de manera diferente a la roca sedimentaria blanda y al limo. Con el descubrimiento de la pasta de cemento, se pudieron construir estructuras con piedras de forma irregular y hacer que el aglutinante llenara los huecos para crear una estructura sólida. El cemento gana fuerza a medida que se hidrata , creando así un enlace más fuerte con el tiempo. Con la caída del Imperio romano de Occidente y el ascenso de los bizantinos , este conocimiento se perdió en su mayor parte, excepto para los monjes católicos, que estaban entre los pocos que podían leer el latín de Vitruvio y hacer uso de la pasta de hormigón. ^[6] Ésa es una de las razones por las que el Panteón de hormigón de Roma pudo durar 1.850 años, y por las que las casas de campo con techo de paja de Holanda esbozadas por Rembrandt se han deteriorado hace mucho tiempo.

El uso del amianto como material floreció en la Antigua Grecia , especialmente cuando salieron a la luz las propiedades ignífugas del material. Muchos estudiosos creen que la palabra amianto proviene de un término griego antiguo, ἄσβεστος ( ásbestos ), que significa "inextinguible" o "inextinguible". ^[7]  La ​​ropa de los nobles, los manteles y otros adornos para el horno estaban todos tejidos con este material fibroso, ya que se podía limpiar tirándolo directamente al fuego. ^[8] Sin embargo, el uso de este material no estaba exento de desventajas: Plinio el Viejo observó un vínculo entre la muerte rápida de los esclavos y el trabajo en las minas de amianto. Recomendó que los esclavos que trabajaban en este entorno utilizaran la piel de la vejiga como un respirador improvisado . ^[9]

Después de que las dagas de hueso de muslo de los primeros cazadores-recolectores fueran sustituidas por las hachas de madera y piedra, y luego por los instrumentos de cobre , bronce y hierro de la civilización romana, se pudieron buscar y reunir materiales más preciosos. Así, el orfebre medieval Benvenuto Cellini pudo buscar y defender el oro que tenía que convertir en objetos de deseo para duques y papas . La Autobiografía de Benvenuto Cellini contiene una de las primeras descripciones de un proceso metalúrgico.

El uso del corcho , que recientemente se ha añadido a la categoría de ciencia de los materiales, tuvo sus primeras menciones a partir de Horacio , Plinio y Plutarco . ^[10] Tuvo muchos usos en la antigüedad, entre ellos en la pesca y en dispositivos de seguridad debido a su flotabilidad, como medio de grabado, en suelas de sandalias para aumentar la estatura, tapones de contenedores y como aislante. También se utilizó para ayudar a curar la calvicie en el siglo II. ^[11]

En la época de la Antigua Roma, el soplado de vidrio se convirtió en un arte que implicaba la adición de decoraciones y tintes. También pudieron crear formas complejas gracias al uso de un molde. Esta tecnología les permitió imitar piedras preciosas. ^[12] El vidrio de las ventanas se formaba al verterlo en moldes de arcilla planos que luego se retiraban y se limpiaban. ^[12] La textura de las vidrieras proviene de la textura que el molde de arena dejaba en el lado en contacto con el molde. ^[12]

Los compuestos poliméricos también aparecieron durante este período en forma de madera . Hacia el año 80 a. C., la resina petrificada y la queratina se utilizaban en accesorios como el ámbar y el caparazón de tortuga respectivamente. ^[10]

En Alejandría, en el siglo I a. C., el soplado de vidrio se desarrolló en parte debido a nuevos hornos que podían crear temperaturas más altas mediante el uso de un tubo de caña recubierto de arcilla. ^[12] La ceniza vegetal y el vidrio de natrón, siendo este último el componente principal, se usaban en las piezas sopladas. Las plantas costeras y semidesérticas funcionaban mejor debido a su bajo contenido de óxido de magnesio y óxido de potasio . El Levante , el norte de África e Italia eran donde los recipientes de vidrio soplado eran más comunes. ^[13]

Se han descubierto materiales de protoporcelana que datan del Neolítico, con fragmentos de material encontrados en sitios arqueológicos del período Han oriental en China. Se estima que estas piezas fueron cocidas entre 1260 °C y 1300 °C. ^[14] En el siglo VIII, se inventó la porcelana en la dinastía Tang , China. La porcelana en China resultó en un desarrollo metódico de hornos ampliamente utilizados que aumentaron la calidad y la cantidad con la que se podía producir porcelana. ^[15] El esmaltado de cerámica con estaño es inventado por químicos y alfareros árabes en Basora , Irak . ^[16]

Durante la Alta Edad Media, la técnica de creación de ventanas se orientaba más hacia el soplado de bolas de vidrio no tintadas que luego se aplanaban, pero luego, a finales de la Edad Media, la metodología volvió a la de la antigüedad con algunos ajustes menores, que incluyeron el laminado con rodillos metálicos. ^[12]

En el siglo IX se inventó la cerámica de pasta de piedra en Irak , ^[16] y la loza lustrosa apareció en Mesopotamia . ^[17] En el siglo XI se desarrolló el acero de Damasco en Oriente Medio . En el siglo XV, Johann Gutenberg desarrolló una aleación de metal tipo y Angelo Barovier inventó el cristallo , un vidrio transparente a base de soda.

En 1540, Vannoccio Biringuccio publica su De la pirotechnia , el primer libro sistemático sobre metalurgia , en 1556 Georg Agricola escribe De Re Metallica , un influyente libro sobre metalurgia y minería , y se desarrollan lentes de vidrio en los Países Bajos y se utilizan por primera vez en microscopios y telescopios . ^{[ cita requerida ]}

En el siglo XVII, las Dos nuevas ciencias de Galileo ( resistencia de los materiales y cinemática ) incluyen las primeras afirmaciones cuantitativas en la ciencia de los materiales. ^{[ cita requerida ]}

En el siglo XVIII, William Champion patenta un proceso para la producción de zinc metálico por destilación de calamina y carbón, a Bryan Higgins se le otorga una patente para cemento hidráulico ( estuco ) para uso como yeso exterior , y Alessandro Volta fabrica una batería de ácido de cobre o zinc . ^{[ cita requerida ]}

En el siglo XIX, Thomas Johann Seebeck inventa el termopar , Joseph Aspin inventa el cemento Portland , Charles Goodyear inventa el caucho vulcanizado , Louis Daguerre y William Fox Talbot inventan procesos fotográficos basados ​​en plata , James Clerk Maxwell demuestra la fotografía en color y Charles Fritts fabrica las primeras células solares utilizando obleas de selenio . ^{[ cita requerida ]}

Antes de principios del siglo XIX, el aluminio no se había producido como metal aislado. No fue hasta 1825 que Hans Christian Ørsted descubrió cómo crear aluminio elemental mediante la reducción del cloruro de aluminio. Como el aluminio es un elemento ligero con buenas propiedades mecánicas, se buscó ampliamente su uso para reemplazar metales más pesados ​​y menos funcionales como la plata y el oro. Napoleón III utilizó platos y utensilios de aluminio para sus invitados de honor, mientras que al resto se le dio plata. ^[18] Sin embargo, este proceso seguía siendo costoso y todavía no se podía producir el metal en grandes cantidades. ^[19]

En 1886, el estadounidense Charles Martin Hall y el francés Paul Héroult inventaron un proceso completamente independiente entre sí para producir aluminio a partir de óxido de aluminio mediante electrólisis. ^[20] Este proceso permitiría fabricar aluminio a un menor costo que nunca y sentó las bases para convertir el elemento de un metal precioso en un producto fácilmente obtenible. Casi al mismo tiempo, en 1888, Carl Josef Bayer estaba trabajando en San Petersburgo, Rusia, para desarrollar un método para producir alúmina pura para la industria textil. Este proceso implicaba disolver el óxido de aluminio del mineral de bauxita para producir gibbsita, que luego se puede purificar nuevamente para obtener alúmina cruda. El proceso Bayer y el proceso Hall-Héroult todavía se utilizan hoy en día para producir la mayoría de la alúmina y el aluminio del mundo. ^[21]

La mayoría de los campos de estudio tienen un padre fundador, como Newton en física y Lavoisier en química. La ciencia de los materiales, por otro lado, no tiene una figura central. ^[22] En la década de 1940, las colaboraciones en tiempos de guerra de múltiples campos de estudio para producir avances tecnológicos se convirtieron en una estructura para el futuro campo de estudio que se conocería como ciencia e ingeniería de materiales. ^[23] Durante la Guerra Fría en la década de 1950, el Comité Asesor Científico del Presidente de los EE. UU. (PSAC) hizo de los materiales una prioridad, cuando se dio cuenta de que los materiales eran el factor limitante para los avances en la tecnología espacial y militar. En 1958, el presidente Dwight D. Eisenhower creó la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada (ARPA), ^[24] conocida como la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) desde 1996. En 1960, ARPA alentó el establecimiento de laboratorios interdisciplinarios (IDL) en los campus universitarios, que se dedicarían a la investigación de materiales, así como a la educación de los estudiantes sobre cómo realizar investigaciones en ciencia de materiales. ^[25] ARPA ofreció contratos IDL de 4 años a las universidades, originalmente a la Universidad de Cornell , la Universidad de Pensilvania y la Universidad Northwestern , y finalmente otorgó nueve contratos más. ^[26] Aunque ARPA ya no controla el programa IDL (la Fundación Nacional de Ciencias se hizo cargo del programa en 1972 ^[26] ), el establecimiento original de los IDL marcó un hito significativo en la investigación y el desarrollo de la ciencia de los materiales en los Estados Unidos . Varios departamentos de instituciones cambiaron los títulos de "metalurgia" a "metalurgia y ciencia de los materiales" en la década de 1960. ^{[22] [27]}

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A principios del siglo XX, la mayoría de las escuelas de ingeniería tenían un departamento de metalurgia y quizás también de cerámica . Se dedicó mucho esfuerzo a considerar las fases austenita - martensita - cementita que se encuentran en el diagrama de fases hierro-carbono que sustenta la producción de acero . ^{[ cita requerida ]} La comprensión fundamental de otros materiales no estaba lo suficientemente avanzada como para que se los considerara materias académicas. En la era posterior a la Segunda Guerra Mundial, el estudio sistemático de los polímeros avanzó particularmente rápido. En lugar de crear nuevos departamentos de ciencia de polímeros en las escuelas de ingeniería, los administradores y científicos comenzaron a concebir la ciencia de los materiales como un nuevo campo interdisciplinario por derecho propio, que consideraba todas las sustancias de importancia para la ingeniería desde un punto de vista unificado. La Universidad Northwestern instituyó el primer departamento de ciencia de los materiales en 1955. ^[28]

Richard E. Tressler fue un líder internacional en el desarrollo de materiales de alta temperatura. Fue pionero en las pruebas y el uso de fibras de alta temperatura, en la instrumentación avanzada y las metodologías de prueba para materiales termoestructurales, y en el diseño y la verificación del rendimiento de cerámicas y compuestos en aplicaciones aeroespaciales, industriales y energéticas de alta temperatura. Fue director fundador del Centro de Materiales Avanzados (CAM ), que apoyó a muchos profesores y estudiantes de la Facultad de Ciencias de la Tierra y Minerales , la Facultad de Ciencias Eberly , la Facultad de Ingeniería, el Laboratorio de Investigación de Materiales y los Laboratorios de Investigación Aplicada de Penn State en materiales de alta temperatura. Su visión de la investigación interdisciplinaria jugó un papel clave en la creación del Instituto de Investigación de Materiales. La contribución de Tressler a la ciencia de los materiales se celebra con una conferencia de Penn State nombrada en su honor. ^[29]

La Materials Research Society (MRS) ^[30] ha sido fundamental en la creación de una identidad y cohesión para este joven campo en los EE. UU. MRS fue una creación de investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania y surgió de las discusiones iniciadas por el profesor Rustum Roy en 1970. La primera reunión de MRS se celebró en 1973. A partir de 2006 ^{[ necesita actualización ]} , MRS se ha convertido en una sociedad internacional que patrocina una gran cantidad de reuniones anuales y tiene más de 13 000 miembros. MRS patrocina reuniones que se subdividen en simposios sobre una gran variedad de temas, a diferencia de las reuniones más centradas que suelen patrocinar organizaciones como la American Physical Society o el IEEE . La naturaleza fundamentalmente interdisciplinaria de las reuniones de MRS ha tenido una fuerte influencia en la dirección de la ciencia, particularmente en la popularidad del estudio de los materiales blandos , que se encuentran en el nexo de la biología, la química, la física y la ingeniería mecánica y eléctrica. Debido a la existencia de libros de texto integradores, sociedades de investigación de materiales y cátedras universitarias en todas partes del mundo, programas de licenciatura, maestría y doctorado y otros indicadores de formación disciplinar, es justo llamar a la ciencia (e ingeniería) de los materiales una disciplina. ^[31]

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El campo de la cristalografía , donde los rayos X brillan a través de cristales de un material sólido, fue fundado por William Henry Bragg y su hijo William Lawrence Bragg en el Instituto de Física durante y después de la Segunda Guerra Mundial . ^{[ cita requerida ]} La ciencia de los materiales se convirtió en una disciplina establecida importante después del inicio de la Era del Silicio y la Era de la Información . Esto condujo al desarrollo de las computadoras modernas y luego los teléfonos móviles , con la necesidad de hacerlos más pequeños, más rápidos y más potentes que llevaron a la ciencia de los materiales a desarrollar materiales más pequeños y livianos capaces de lidiar con cálculos más complejos. Esto a su vez permitió que las computadoras se usaran para resolver cálculos cristalográficos complejos y automatizar experimentos de cristalografía, lo que permitió a los investigadores diseñar técnicas más precisas y poderosas. Junto con las computadoras y la cristalografía, el desarrollo de la tecnología láser a partir de 1960 condujo al desarrollo de diodos emisores de luz (utilizados en reproductores de DVD y teléfonos inteligentes ), comunicación por fibra óptica (utilizada en telecomunicaciones globales ) y microscopía confocal , una herramienta clave en la ciencia de los materiales. ^{[ 32 ]}

• Cronología de la tecnología de los materiales
• Historia de la metalurgia ferrosa
• Historia de los materiales de cuero
• Historia de la seda
• Categoría:Científicos e ingenieros de materiales

• Benvenuto Cellini (1500-1571) Autobiografía .
• Galileo (1638) Dos nuevas ciencias , Leiden: Louis Elsevier.
• DL Weaire y CG Windsor (editores) (1987) Ciencia del estado sólido: pasado, presente y predicho , ISBN 0-85274-584-2 . 
• Robert W. Cahn (2001) El advenimiento de la ciencia de los materiales , Oxford: Pergamon Series.
• Klaus Hentschel (2011) Von der Werkstoffforschung zur materials science, en: Klaus Hentschel & Carsten Reinhardt (eds.) Zur Geschichte der Materialforschung, número especial de NTM 19,1: 5-40.

• Número del 20º aniversario del Boletín MRS de 1973.
• Comunicado de prensa de la Universidad Northwestern sobre el 50º aniversario de su Departamento de Ciencias de los Materiales en 2005.
• Ciencia de los Materiales en la Sociedad Química Americana .
• Sociedad de Metalurgia Histórica
• Sociedad de Historia del Plástico
• Asociación para la Historia del Vidrio