La Ciencia de los Materiales es el campo científico que se encarga de analizar la relación entre la composición y la estructura de los materiales, y la forma en que esos factores se relacionan con sus propiedades y su comportamiento.
La composición de los materiales se refiere a su constitución química, y la estructura se refiere a las configuraciones atómicas y disposiciones moleculares en los sólidos.
El estudio de los materiales se basa en comprender las relaciones entre su estructura y sus propiedades, fundamentalmente para:
- Conocer las características de los materiales y poder avanzar en el estudio de nuevas propiedades o aplicaciones.
- Conocer los efectos que tienen los procesos de la fabricación de un material en su estructura y sus propiedades.
- Permitir la elección del material más adecuado para cada aplicación.
Los materiales pueden considerarse una de las bases del desarrollo de la humanidad, hasta el punto de que incluso se usan para dividir épocas de su historia, como la edad de piedra, la edad del bronce y la edad del hierro. La piedra, la madera y las pieles fueron los primeros materiales que se utilizaron como materiales de construcción.
El descubrimiento de los metales supuso un gran avance en la humanidad. La edad del bronce comienza 35 siglos antes de nuestra era, al ser descubierto por los caldeos, que lo transmiten a los cretenses y los fenicios que lo extienden por el Mediterráneo. El pueblo hitita descubre el hierro y, 500 años antes de nuestra era, los celtas obtienen el acero, cuya tecnología aún sigue avanzando.
Tal vez uno de los materiales más antiguos sea el vidrio. Según Plinio, fueron los fenicios los primeros en obtenerlo al calentar un fragmento de potasio y sílice en una playa. Su descubrimiento también es atribuido a los egipcios, siendo posiblemente en Mesopotamia donde se obtuvo vidrio artificial por primera vez, pasando posteriormente su hegemonía a Egipto. El vidrio soplado se comienza a fabricar 2 siglos antes de nuestra era.
Hace más de 7.500 años, ya se construían viviendas con un material obtenido mezclando tierra caliza, arena, grava y agua. Este material se puede considerar como el antecedente de un hormigón rudimentario.
El yeso y la cal son materiales que han sido utilizados por la humanidad desde tiempos remotos, fundamentalmente porque se pueden obtener a temperaturas relativamente bajas, en hornos de fácil ejecución y porque es una materia prima muy abundante en la corteza terrestre. En excavaciones realizadas en Egipto se han encontrado conglomerantes a base de yeso cocido, datados en unos 3.000 años y fue este material el empleado en la construcción de las pirámides. En Grecia, hace más de 2.300 años, se usaban mezclas de tierra volcánica, caliza calcinada, arcilla cocida y agua.
Sobre el año 200 antes de nuestra era se produjo un significativo avance en la optimización de los conglomerantes para la construcción con la utilización del “cemento romano”. En un lugar cercano al Vesubio se obtuvo una ceniza volcánica, la puzolana, constituida básicamente por sílice que, al ser mezclada con cal viva calcinada y agua, permitió conformar un conglomerante hidráulico. Las obras de mampostería que lo usaban denominaban “opus caementum” de donde deriva la palabra cemento. Con el cemento romano se construyeron obras importantes, como el Foro Romano y el Panteón de Roma (año 27 a.C.), construido por Agripa, que es la primera obra importante de hormigón en masa de la que se tiene constancia. Tanto los griegos como los romanos llegaron a obtener conglomerantes que, como decía Vitrubio, «endurecían tanto en el aire como en el agua, mezclando cales con tierras volcánicas que procedían de Santorini o Pozzuoli».
Materia
El concepto de materia ha sido discutido por los filósofos de todos los tiempos; Tales de Mileto, Heráclito, Aristóteles … propusieron definiciones diferentes sobre ese término. Se puede definir materia como una realidad espacial y perceptible por los sentidos (que ocupa un volumen en el espacio, tiene peso y es energético, siendo capaz de producir un impacto real en nuestros sentidos) de la que están hechas las cosas que nos rodean.
Es un elemento físico o corpóreo, en oposición a algo que sea abstracto o espiritual. La materia existe en varios estados (también conocidos como fases). Entre ellos se encuentran las fases clásicas de la vida cotidiana, como el sólido, el líquido y el gas, pero también son posibles otros estados, como el plasma, los condensados de Bose-Einstein, los condensados fermiónicos y el plasma de cuark-gluón.
Material
Se puede definir material como toda porción finita de materia, de origen natural o artificial que puede ser manipulada o procesada para fabricar algo. Un material es un elemento que puede transformarse y agruparse en los grupos de un conjunto. Por ejemplo, al conjunto de cemento, acero, grava, arena, etc., se le puede llamar materiales de construcción.
Los materiales están constituidos por partículas que son elementos que pueden ser separados por medios mecánicos (trituración, molienda, etc.). Las partículas están formadas por un gran número de moléculas (que son la porción más pequeña en que puede dividirse un cuerpo conservando la naturaleza del mismo) que están formadas por átomos.
La ciencia utiliza diferentes escalas de observación en relación con el objeto estudiado. En construcción también se utiliza esta escala para el estudio de los materiales, de manera que podemos distinguir diferentes niveles:
- Nivel nano y picoscópico. (Nivel atómico → nanoestructura, nivel molecular → picoestructura).
- Nivel microscópico. Material con tamaño del orden de 10 -6 a 10 -3 μm. Este es el nivel de estudio propio de un laboratorio dedicado al control de los materiales de construcción.
- Nivel macroscópico. Material con tamaño ≥ 1 cm. Este es el nivel más apropiado para el estudio en obra de los componentes de la edificación.