Materiales Inteligentes

¿Qué son los materiales inteligentes?
Los materiales inteligentes, activos, o también denominados multifuncionales son materiales capaces de responder de modo reversible y controlable ante diferentes estímulos físicos o químicos externos, modificando alguna de sus propiedades.

Por su sensibilidad o actuación, estos materiales pueden ser utilizados para el diseño y desarrollo de sensores, actuadores y productos multifuncionales, así como poder también llegar a configurar estructuras y sistemas inteligentes de aplicaciones múltiples. En este caso las  estructuras inteligentes, son por ejemplo aquellas que gracias a la combinación de estos materiales son capaces de autodiagnosticarse y  modificarse para adaptarse a las condiciones que se les ha marcado como óptimas o correctas.

Algunos de estos materiales, son conocidos desde hace muchos años y otros (la mayoría) son de reciente aparición. Se manifiestan en diferentes naturalezas, inorgánicas, metálicas y orgánicas, y su comportamiento es muy diverso siendo sensibles a una amplia variedad de fenómenos físicos y químicos. Actualmente, su importancia surge gracias a las nuevas tecnologías como la microelectrónica y la posibilidad de diseñar y sintetizar estructuras orgánicas poliméricas con propiedades activas predefinidas.

Por ejemplo, hasta hace pocos años todos nos hemos maravillado ante las pantallas de cristal líquido (LCD) presentes en pantallas planas de computadoras, celulares, ..etc. Pero ya ha comenzado su  cuenta a tras con la aparición de los OLED (Organic Light-Emitting-Diode), pantallas en base a polímeros multicapa que emiten luz ante pequeños estímulos eléctricos, permitiendo diseños más ligeros y flexibles. Juntando tecnología e imaginación, ya se comercializan con estas nuevas pantallas, así como lámparas planas para sistemas de seguridad y señalización, piezas plásticas de interior de vehículo con luz propia. Siendo imparable el desarrollo de nuevos productos en base a los materiales activos.

¿Cuáles son los materiales inteligentes y cómo funcionan?
A continuación se enlistan agrupados por el tipo de estímulo o comportamiento algunos de los materiales comúnmente denominados como activos o inteligentes:

- Materiales Electro y Magnetoactivos. Son materiales que actúan o reaccionan ante cambios eléctricos o magnéticos (magnetostrictivos, electrostrictivos, ...), ampliamente empleados en el desarrollo de sensores. También, los nuevos desarrollos en base a materiales poliméricos conductores han dado paso a los EAP (Electro Active Polymers) cuyo desarrollo abren paso a los músculos artificiales y mecanismos orgánicos artificiales.

- Los materiales piezoeléctricos, materiales con la capacidad para convertir la energía mecánica en energía eléctrica y viceversa, son ampliamente aplicados como sensores y actuadores, vibradores, zumbadores, micrófonos, ..etc. En la actualidad además de los cerámicos, existen polímeros piezoeléctricos como el PVDF, que en forma de films son fácilmente incorporados a plásticos y composites.

- Los materiales electro- y magnetoreológicos, materiales capaces de alterar su propiedades reológicas ante variaciones del campo. Son suspensiones de partículas micrométricas magnetizables, en fluidos de distintas naturalezas (aceites hidrocarburos, silicona o agua), que de forma rápida y reversible aumentan su viscosidad bajo la aplicación de campos magnéticos. Existen aplicaciones por ejemplo en los amortiguadores variables en base a fluidos magnetoreológicos MRF.
   
- Materiales Fotoactivos (Eléctroluminiscente, Fluorescente, Fosforescente o Luminiscentes). Son materiales que actúan emitiendo luz. En el caso de los electroluminiscentes cuando son alimentados con impulsos eléctricos emiten luz, los fluorescentes devuelven la luz con mayor intensidad y los fosforescentes, almacenan la energía y la emiten después de cesar la fuente de luz inicial.

    Son ya aplicados a sistemas de señalización y seguridad. En el caso de los electroluminiscentes, emiten luz fría y su disposición en forma de film (lámparas planas) están siendo combinados en piezas plásticas mediante técnicas como IMD (In Mold Decoration) para realizar piezas 3D que emiten luz propia.
   
- Materiales Cromoactivos (Termocrómico, Fotoctrómicos, Piezocrómicos). Son materiales que modifican su color ante cambios de temperatura, luz o presión. Los termocrómicos están ya presentes en forma de etiquetas de control de temperatura (cadena de frío), artículos de hogar (envases microondas, sartenes, mangos,..), juguetes (calcomanías que al frotar muestran una imagen),.
   
- Materiales con Memoria de Forma (aleaciones metálicas SMA y polímeros). Se definen como aquellos materiales capaces de “recordar” su forma y capaces de volver a esa forma incluso después de haber sido deformados. Este efecto de memoria de forma se puede producir por un cambio térmico o magnético.

    Las aleaciones metálicas más conocidas son las aleaciones de niquel-titanio, cuyo nombre comercial es NITINOL, y que responden ante campos térmicos. Si a un alambre de SMA, se hace pasar una corriente eléctrica hasta calentarlo a una temperatura determinada, se encogerá hasta un 6% de su longitud, si se enfría por debajo de la temperatura de transición recupera su longitud inicial. Sus aplicaciones están extendidas en medicina como cánulas intravenosas, sistemas de unión y separadores, alambres dentales en ortodoncia, … En robótica, se emplean los alambres de Nitinol como músculos artificiales, resortes, tiradores, ….como válvulas de control de temperatura son aplicables en duchas, cafeteras,…sistemas de unión y separación controlados,…etc.

En general estos materiales llamados “inteligentes” se solapan y se entremezclan con otras grandes tecnologías como las nanotecnologías, la microelectrónica y los biomateriales.

¿Cuáles son sus aplicaciones actuales?
Al margen de las aplicaciones en sectores como el aeroespacial y militar, los materiales anteriores pueden por sí solos, constituir productos inteligentes o elementos fundamentales como sensores y actuadores de uso en ingeniería civil y servicios a la sociedad en general.

Los sensores y actuadores, a su vez, se pueden combinar e incorporar de modo externo o posterior a la fabricación de un producto de cara a:
- Autocontrolarse durante su fabricación, interaccionando con los parámetros de proceso de cara a asegurar un nivel de calidad.
- Conformar un producto final multifuncional, que pueda ofrecer diferentes respuestas en función de las condiciones previstas.
- Monitorizar y controlar su estado en funcionamiento.
- Monitorizar su entorno y dar ordenes a otros sistemas.
- Autorepararse.

Hoy en día se aplican en sistemas de monitorización y control activo en muchos procesos y en algunos productos. Sin embargo la evolución de estos materiales pueden permitir llegar a ser incorporados durante el proceso de elaboración del producto, de modo integrado, combinando diferentes materiales activos, reduciendo y simplificando los diseños y etapas de fabricación.
Existen otros sensores como la fibra óptica, que permite medir la mayoría de las propiedades físicas: desplazamiento, fuerza, fluidez, temperatura, presión, rotación, acústica, campo magnético, campo eléctrico, radiación, vibración , daños, … También es aplicable al control del fraguado de cemento en piezas prefabricadas, estructuras industriales, grúas, estructuras de máquina herramienta, aerogeneradores,…etc.

En otros sectores, la presencia de los materiales activos en el mundo del envase y el embalaje, permiten garantizar la calidad de los productos y además ayudan a controlar los procesos de producción y distribución, mediante envases que controlen la duración del contenido (film de polímeros biocidas) o que lo defiendan contra la contaminación por microorganismos, etc.

En la industria del automóvil, la electrónica y la sensorización van adquiriendo, día a día, una importancia mayor. Sistemas de seguridad y control, que pretenden alcanzar un compromiso entre comodidad y seguridad.

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El Grafeno

El Grafeno y los nanotubos de carbono son formas alotrópicas del carbono cuyas propiedades (resistencia, flexibilidad, conductividad, etc) abren la puerta a su integración en múltiples aplicaciones en el campo de la electrónica.

Un grupo de científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, del inglés Massachusetts Institute of Technology), una institución de educación superior privada situada en Cambridge (Massachusetts)  hay varios grupos de investigación que trabajan tanto con el grafeno como con los nanotubos de carbono, con este último material, un equipo ha conseguido desarrollar, a partir de los nanotubos, una nueva fuente de energía con la que alimentar sistemas electrónicos de tamaño reducido.

El equipo en cuestión, integrado por el Profesor Asociado del MIT Michael Strano y su equipo de investigación en el área de la nanotecnología, junto al profesor asociado del Royal Melbourne Institute of Technology (Australia) Kourosh Kalantar-zadeh, aprovecharon una reacción quimica producida en un grupo de nantotubos para generar electricidad.

Lo que hizo este grupo de investigación fue recubrir los nanotubos de carbono con un material llamado nitrocelulosa que es inflamable y que al quemarse incrementó su temperatura generando una corriente eléctrica de gran intensidad.

Los nanotubos han demostrado una versatilidad y son fáciles de fabricar, se tenía conocimiento que eran capaces de producir electricidad al ser calentados, pero el sistema implementado en el MIT, denominado Nanodynamite es uno de los más simples y eficientes.

Esta reacción podría utilizarse, por ejemplo, para desarrollar una nueva generación de baterías que alimentasen sistemas autónomos o sistemas embebidos, aumentando su autonomía sin necesidad de fabricar una batería de gran tamaño puesto que, precisamente, esta es una de las primeras aplicaciones prácticas para generar energía a escala nanométrica.

El propio Kalantar-zadeh ha explicado el procedimiento en la última edición de la IEEE Spectrum Magazine y resaltado que la reacción química con la que generaron electricidad tiene una eficiencia de tres a cuatro veces superior a la generada por una batería de litio. Es dificil comparar este sistema con las baterías tradicionales, ya que el dispositivo basado en nanotubos puede generar electicidad a partir del calor, mientras que las baterías “de toda la vida” se limitan a almacenar la electricidad producida por otro dispositivo y devolverla cuando el circuito al que están conectadas lo necesitan.

En todo caso, el Nanodynamite se parece más a una pila que a una batería. Kourosh Kalantar-zadeh  dice que “al recubrir un nanotubo con un combustible denominado nitrocelulosa y encender uno de sus extremos la combustión y, por supuesto, el calor se propagó a lo largo de la estructura demostrando la buena conductividad de este material, generando además una corriente eléctrica de gran intensidad.” Si bien se trata solamente de un experimento, los resultados son lo suficientemente interesantes como para que se justifique una investigación más profunda, que podría producir el conocimiento necesario parta desarrollar una fuente de energía pequeña y eficiente con la que alimentar los dispositivos moviles del futuro.

Las aplicaciones del grafeno (algunas aún potenciales y otras llevadas ya a la realidad y la práctica) incluyen desde sus usos electrónicos –dadas sus extraordinarias propiedades conductoras y semiconductoras–, hasta la futura construcción de ascensores espaciales, pasando por la fabricación de corazas humanas en el ámbito de la seguridad, por ejemplo un chaleco antibalas de una flexibilidad sólo comparable a su extrema resistencia, y tan fino como el papel.

La última novedad sobre el grafeno, según informa en un comunicado la Universidad de Columbia,
es que, por primera vez, los investigadores han confirmado lo que ya se sospechaba: que se trata del material más fuerte jamás testeado.

Nanoestructuras de carbono
Conviene recordar que se trata de un material obtenido a partir del grafito, con la reseñable particularidad de que aquél consiste sólo en una de las capas que conforman a éste. Es decir, y para ubicarnos en el orden nanométrico al que nos estamos refiriendo: la lámina de grafeno tiene el grosor de “un” átomo; independientemente de las formas y estructuras que pueda adquirir (por ejemplo, los nanotubos, si la lámina se enrolla en forma de cilindo, o las buckyballs –traducidas como fullerenos o como buckybolas–, si la lámina se enrolla en forma de balón), o cuántas de esas capas puedan superponerse o combinarse para sus aplicaciones y usos industriales.

Como curiosidad, para obtener las capas individuales de grafeno a partir del grafito (previamente frotado sobre una lámina de silicio) en los laboratorios universitarios se ha venido utilizando el llamado “método del celo”, que consiste en aplicar una “cinta adhesiva” doblada a los dos extremos de la pieza de grafito, y después separándola; y repitiendo el proceso varias veces hasta la obtención de una única capa. Todo ello (cinta adhesiva incluida) a escala nanométrica, claro.

En algunas universidades se viene pagando unos 10 dólares a los becarios por realizar este trabajo. Para su producción industrial se continúan investigando y desarrollando métodos obviamente distintos al “del celo” y, dada la cantidad de nuevas potenciales aplicaciones que día a día se plantean para el grafeno y las extraordinarias propiedades del mismo que una y otra vez se descubren o se confirman, se espera que pronto pueda hacerse a gran escala y bajo coste.

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Los Superconductores, duros y los nuevos Superconductores

Los superconductores duros
La posibilidad de obtener un superconductor de alta temperatura crítica ha sido muy atractiva desde el momento en que se descubrió la superconductividad. Los beneficios tecnológicos que se obtendrían son muy claros y nos referiremos a ellos mas adelante. Se ha desplegado un enorme esfuerzo, tanto teórico como experimental, hacia la consecución de un material superconductor de alta temperatura crítica, y no fue sino hasta 1987 cuando, con una clase totalmente nueva de materiales superconductores, los superconductores cerámicos, se lograron temperaturas del orden de 100 Kelvin. El manejo tecnológico de los materiales cerámicos es bastante problemático, pero no es imposible.

Los superconductores cerámicos pertenecen a la clase conductores denominados Tipo II o superconductores duros. Presentan elevados valores para el campo magnético crítico.

Los nuevos materiales superconductores
Hemos mencionado ya que en abril de 1986 se anunció el descubrimiento de unos nuevos materiales superconductores que eran cerámicos y que presentaban una temperatura de transición superior a cualquiera de los materiales existentes en esas fechas. Al escribir estas líneas la temperatura crítica de transición superconductora más alta reportada es de alrededor de 135K, bastante arriba de la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido, que es un refrigerante de precio muy económico y fácil de obtener. También hay indicios muy prometedores de que se podrán lograr temperaturas de transición quizá por arriba de 200K.

Un equipo del CSIC obtiene Superconductores Nanotecnológicos y corrientes eléctricas record
Los resultados, aparecidos en la revista Nature Materials, se han conseguido mezclando nanopartículas aislantes con un superconductor. Así las propiedades mejoran de tal forma que puede aumentarse de forma espectacular los campos magnéticos generados con estos materiales.

Los materiales superconductores son capaces de transportar corrientes eléctricas 100 veces superiores a las que transporta el cobre y por ello pueden usarse para generar campos magnéticos mucho más elevados que con los metales convencionales.

No obstante, los únicos superconductores disponibles hasta la fecha son los denominados de "baja temperatura", ya que para su funcionamiento requieren ser enfriados a temperaturas extremadamente bajas usando helio líquido. Esto supone un elevado coste, lo que ha limitado el uso generalizado de estos sistemas. El descubrimiento del grupo del ICMAB-CSIC puede romper esta barrera, ya que permite obtener mejores prestaciones con temperaturas más altas, equivalentes a la del nitrógeno líquido, con lo cual los costes pueden reducirse.

Las prestaciones de los superconductores vienen determinadas por las propiedades de unos torbellinos de supercorrientes denominados vórtices, los cuales pueden desplazarse al aplicar corrientes eléctricas como si se tratara de un tornado. Para evitar su desplazamiento se requiere introducir en el superconductor defectos que tengan dimensiones nanométricas, que coincidan con el tamaño del ojo de ese tornado nanométrico.

Los nuevos materiales desarrollados constituyen un "nanocomposite" en el que nanopartículas aislantes de unos 10-20 nanómetros están distribuidas al azar en el seno del superconductor. Esta tupida red de nanopartículas modifica la estructura de defectos del superconductor, lo que redunda en un anclaje extremadamente efectivo de los vórtices, incluso bajo campos magnéticos muy elevados en los cuales los superconductores convencionales pierden sus propiedades únicas. Como consecuencia, la densidad de corriente conseguida con los nuevos materiales es cinco veces superior a la que se obtiene con los superconductores de baja temperatura actualmente disponibles.

La metodología desarrollada por el grupo del CSIC, que ha sido patentada, se basa en soluciones químicas complejas a partir de las cuales, una vez depositadas sobre un substrato y calentadas a alta temperatura, "crece una lámina superconductora, de forma similar a como se prepara un pudding con pasas", explican los investigadores. Las ventajas de esta metodología son por un lado la estructura única que se obtiene, y por otro lado, su bajo coste lo cual hace prever una rápida transferencia a la industria del nuevo descubrimiento.
Las aplicaciones que se derivarán de estos nuevos materiales, una vez llevado a cabo el escalado industrial, son muy diversas. Tal como explica el equipo investigador, el reactor de fusión nuclear ITER funcionará con imanes superconductores pero "si pudiera funcionar a temperaturas más altas, como las que ahora han usado con este nuevo material, su coste de construcción y de mantenimiento sería la mitad, lo que supone una diferencia de miles de millones de euros".

Otros ejemplos de aplicaciones son los motores potentes de barcos o industrias diversas, que serían más eficientes y ligeros. También se pueden beneficiar de estos materiales todos los sistemas que integrarán la "súper-electricidad", es decir la generación, transporte y uso eficiente de la energía eléctrica. Los investigadores del CSIC defienden el papel que puede jugar, además, en la mitigación del cambio climático. Dado el aumento en eficiencia que se consigue con estos nuevos materiales, el desarrollo de una tecnología superconductora redundará en un ahorro considerable de energía y, por tanto, en una importante reducción de la emisión a la atmósfera de gases de efecto invernadero.

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Las Fuerzas de Van der Waals

Las Fuerzas de Van der Waals son fuerzas de estabilización molecular; forman un enlace químico no covalente en el que participan dos tipos de fuerzas o interacciones, las fuerzas de dispersión (que son fuerzas de atracción) y las fuerzas de repulsión entre las capas electrónicas de 2 átomos contiguos. Fuerzas de dispersión

Todos los átomos, aunque sean apolares, forman pequeños dipolos debidos al giro de los electrones en torno al núcleo. La presencia de este dipolo transitorio hace que los átomos contiguos también se polaricen, de tal manera que se producen pequeñas fuerzas de atracción electrostática entre los dipolos que forman todos los átomos.

Repulsión Electrostática
A estas fuerzas de dispersión se opone la repulsión electrostática entre las capas electrónicas de dos átomos contiguos.

La resultante de estas fuerzas opuestas es una distancia mínima permitida entre los núcleos de dos átomos contiguos. Distancia que se conoce como radio de Van der Waals. Es ésta una fuerza muy importante en biología, porque es uno de los enlaces no covalentes que estabilizan la conformación de las proteínas.

La energía del enlace de Van der Waals es de 1–2 kcal/mol.

Las fuerzas de Van der Waals conforman el tipo más débil de fuerza intermolecular que puede darse en la naturaleza, necesitándose un aporte energético de 0,1 a 35 kJ/mol para romper dicha interacción. Distinguimos tres clases de enlace de Van der Waals:

Orientación: interacción dipolo permanente-dipolo permanente. Tienen lugar entre moléculas polares como el HCl por ejemplo, produciéndose una atracción eléctrica entre polos opuestos de moléculas contiguas, pero no así el solapamiento de los átomos interactuantes al ser de mayor tamaño que en el puente de hidrógeno.(Recordemos que el solapamiento sólo se produce en el enlace de hidrógeno, donde el N, el O y el F son especies más pequeñas). Cuanto mayor sea la polaridad de la molécula (diferencia de electronegatividad entre los átomos que la forman), más fuerte será la interacción.

Inducción: interacción dipolo permanente-dipolo inducido. Se produce entre una molécula polar y otra apolar. En este tipo de interacción, el dipolo permanente de la molécula polar provoca una deformación en la nube electrónica de la molécula apolar que se aproxima(el polo negativo de la molécula polar induce el desplazamiento de lo electrones de la molécula polar hacia el polo opuesto, apareciendo un dipolo). De este modo, se establece una atracción eléctrica entre polos opuestos. Este tipo de enlace también se conoce como polarización, siendo tanto más intenso cuanto mayor sea la polarización de la molécula apolar. La intensidad de este fenómeno dependerá de la mayor o menor polaridad (diferencia de electronegatividad entre los átomos que forman la molécula polarizante; la polar) así como del tamaño de la molécula polarizada (a mayor número de electrones, más desigualdad de disposición puede existir).

Dispersión (Fuerzas de London): dipolo instantáneo-dipolo instantáneo. Aparecen en todos los compuestos moleculares, siendo la única fuerza intermolecular que aparece entre moléculas apolares. Se produce por la aparición de una distribución asimétrica de la carga en una molécula (dado el movimiento continuo de los electrones). Este fenómeno induce la aparición de un dipolo instantáneo en la molécula que se aproxima, estableciéndose una interacción muy débil e instantánea. La intensidad de esta interacción depende del tamaño de la molécula (a mayor número de electrones, mayor posibilidad de la aparición de un dipolo instantáneo).

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Space Shuttle Discovery 360VR

El transbordador espacial Discovery (designación NASA: OV-103) fue una de las tres naves que permanecieron en la flota de transbordadores espaciales de la NASA, junto con el Atlantis y el Endeavour. El Discovery era el tercer transbordador operativo y el más antiguo que continuaba en servicio. Realizó misiones sobre investigación y montaje de la Estación Espacial Internacional (ISS).

El nombre de la nave proviene del barco de exploración HMS Discovery, que acompañó al HMS Resolution de James Cook en su tercer y último viaje. Otras embarcaciones comparten el mismo nombre, como la Discovery de Henry Hudson que entre 1610 y 1611 buscó el Paso del Noroeste; y el RRS Discovery de Scott y Shackleton que se utilizó en sus viajes a la Antártida de 1901-1904. Además, el transbordador comparte nombre con la nave de ficción Discovery One de la película 2001: A Space Odyssey.

El Discovery fue el transbordador encargado de lanzar el telescopio espacial Hubble. La segunda y tercera misión de servicios al Hubble también fueron realizadas por el Discovery. También puso en órbita la sonda Ulysses y tres satélites TDRS. El Discovery ha sido escogido en dos ocasiones como el orbitador para regresar al espacio, la primera en 1988 como regreso tras el accidente del transbordador Challenger en 1986 y, posteriormente, en un regreso doble en julio de 2005 y julio de 2006 tras el accidente del transbordador Columbia de 2003. El transbordador también ha transportado al astronauta John Glenn, del Proyecto Mercury, que en ese momento contaba con 77 años, convirtiéndose en la persona de mayor edad en el espacio.

Dentro del Sitio 360vr.com nos muestran un Recorrido Virtual de la cabina de mando del OV-103. Aquí podemos observar en una vista de 360 la cantidad de equipo, controles y monitores que los astronautas debieron de revisar durante una de las tantas misiones que el Discovery efectuó en sus años de servicio.

Visiten la página de The Last Shuttle

Aquí podrán ver el Recorrido Virtual 360
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Bienvenidos al Blog Materiales, Tecnología y Producción

Sean ustedes Bienvenidos al Blog Materiales, Tecnología y Producción!!
Este espacio virtual se crea con el firme propósito de poder compartir contenidos, información, videos, presentaciones e información de asignaturas relacionadas con las carreras de Ingeniería Industrial y Administración Industrial.

Con esta entrada queda oficialmente inaugurado este espacio educativo. Recuerden que sus comentarios serán muy importantes para la mejora continua de este Blog.

Aquí les comparto un interesante video que muestra el Proceso del Acero.
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