Díaz Perea Yazmín Paniagua Vásquez Jorge Armando

Cuasicristales

En el año de 1984 Daniel Schechtman, encontró de manera experimental al enfriar rápidamente una aleación de Aluminio y Magnesio una estructura atómica aperiódica capaz de producir patrones de difracción discretos, aunque con simetrías prohibidas para los cristales según los modelos de esa época; este resultado le valdría el premio Nobel de Química en el año 2011 por el descubrimiento de los cuasicristales.

Los cuasicristales son un nuevo tipo de estructuras atómicas ordenadas que presentan:

· Un orden traslacional cuasi-periódico de largo alcance

· Un orden de orientación de largo alcance con la simetría cristalográfica desordenada

La clave de los cuasicristales está en su orientación simétrica no cristalográfica

Los cuasicristales requieren 2 o más tipos de celdas unitarias

Una estructura cuasi-cristalina muy interesante son las cuasi-redes. Los puntos en una cuasi-red están arreglados en un patrón con simetría de orientación no cristalográfica y están espaciados cuasi-periódicamente a través de cada dirección de la red. El ejemplo más conocido de una cuasi-red es la Teselación de Penrose, que es una cuasi-red bidimensional con orientación pentagonal. La teselación pentagonal se puede descomponer en 2 celdas unitarias diferentes que son 2 rombos de diferente tamaño. La descripción de las cuasi-redes se puede dividir en 2 formas:

· La decoración de la celdas unitarias

· El arreglo de las celdas unitarias.

Clasificación de cuasicristal

Una forma de su clasificación es depender del número de dimensiones espaciales en las que muestra la cuasi-periodicidad. Una clase del cuasicristal que exhibe la cuasi-periodicidad en las tres direcciones y la simetría rotacional de cinco veces se llama cuasicristal icosaédrico (IQC). Figura 2.

Otro tipo de estructuras cuasi-periódicas que muestran la cuasi-periodicidad en dos direcciones y la periodicidad en la dirección restante (una) junto con una simetría rotacional multiplicada por diez se llaman cuasicristales decagonales (DQC). Algunos de los cuasicristales que tienen simetría octagonal y dodecagonal pertenecen a esta categoría. Se ha observado el patrón de diferenciación cuasiperiódica unidimensional en los sistemas Al – Cu – Ni y Al – Pd, y se les conoce como cuasicristales unidimensionales.

Los cuasicristales también se pueden clasificar sobre la base del componente mayoritario y, por lo tanto, pueden denominarse como cuasicristales basados en Al, basados en Mg, basados en Zn, basados en Cd, basados en Ti, basados en Zr y basados en Hf. Algunos ejemplos ilustrativos (no exhaustivos) de sistemas de aleaciones se proporcionan aquí:

Base Mg: Mg–Zn–Al, Mg–Al–Cu/Ag/Au, Mg–Al–Zn–Cu, Mg–Al–Pd, Mg–Cd–Yb Base Al: Al–Mn/Cr/Fe, Al–Mn-Si/Ge, Al–Cu– (Fe,Ru,Os), Al–Pd– (Mn,Re), Al–Pd–(Os, Ru) Base Ti–Zr: Ti–Cr/Ni/Zr, Ti–Zr–Ni Base Cu: Cu–Ga–Mg–Sc Base Zn: Zn–Mg–Sc, Zn–Mg–RE (RE = Y and Gd,Tb, Dy, Ho, Er) Propiedades importantes de los cuasicristales No son claras las propiedades de los cuasicristales, sin embargo son bastante útiles sobre todo cuando se usan en combinación. La alta dureza, bajo coeficiente de fricción, alta fragilidad, alta resistencia a la corrosión, humectación reducida y superplasticidad arriba de 700°C son algunas de las propiedades de los cuasicristales. Propiedades termicas y electricas El valor de la conductividad térmica en los cuasicristales es muy pequeña así como en los compuestos metálicos. Se cree que el transporte electrónico viene de “saltos” electrónicos colectivos asistidos por fonones entre sitios equivalentes de la estructura. A bajas temperaturas se comportan prácticamente como aislantes. Los datos de resistividad recolectados de aleaciones de cuasicristales de Al-Pd-Re muestran cierto comportamiento de recuperación de la conductividad conforme aumenta la temperatura. Con base en esto podemos decir que la conductividad en cuasicristales varía linealmente con la temperatura, también hay que agregar que un cambio en la estequiometría o en la perfección cuasicristalina puede ocasionar una severa recuperación de la conductividad. Propiedades magnéticas Los cuasicristales presentan propiedades magnéticas bastante peculiares, estos presentan un carácter diamagnético con susceptibilidad negativa, sin embargo en estado líquido la susceptibilidad va aumentando y aproximadamente 50 K debajo del punto de fusión existe una transición de diamagnético a paramagnético. Los cuasicristales pueden ser muy útiles para dispositivos electrónicos y de cómputo por la tenacidad de sus espines la variar la composición o la temperatura. Propiedades tribológicas Los cuasicristales presentan bajos coeficientes de fricción y buenas propiedades anti-adhesivas, lo cual los hace excelentes revestidores en diversos utensilios para cocina o automóviles. Esto se debe a su gran capacidad de reducir la disipación de la energía y daños superficiales cuando dos sólidos se encuentran en contacto “movil”. Se reporta que el recubrimiento de pistones y cilindros en los motores de los automóviles aumenta el tiempo de vida de los mismos y reduce la contaminación del aire, esto gracias a las propiedades de

barrera térmica de los recubrimientos de cuasicristales. Sus propiedades de baja fricción también los hace muy útiles en el recubrimiento de partes metálicas usadas para reparación de huesos y prótesis o en motores para cohetes y turbinas

Usos y Aplicaciones

Pese a que los cuasicristales que se conocen hasta nuestros días están conformados en su mayoría por elementos metálicos, sus propiedades tales como la resistencia eléctrica o la conductividad térmica son similares a las presentes en semiconductores o aislantes, lo cual permite su uso en diversas áreas, desde barreras térmicas en la industria aeronáutica, hasta posibles usos como recubrimientos para utensilios de cocina. Sin embargo en el uso de cuasicristales en el ámbito industrial (maquinado) es difícil debido a su gran fragilidad, por ello se presentan otro tipo de aplicaciones a continuación:

Propiedades Aplicaciones Aleaciones

Baja conductividad térmica Barras térmicas, turbinas en la generación de potencia, motores dice e industria automotriz.

AlCoCrFe

Resistencia a la corrosión, alta dureza, baja energía superficial (adherencia).

Barreras antiadherentes para sartenes para freír, utensilios de cocina, reactores químicos, moldes poliméricos.

AlCuFeCr

Dureza y propiedades mecánicas Herramientas quirúrgicas, prótesis médicas AlBCuFe, AlPdMn

Bibliografía

● Rosa María Lima García (1993). Estudio Microestructural de Cuasicristales en la aleación (Aluminio-Magnesio) 80,20 Preparada por solidificación rápida (Tesis de Maestría). Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Química, Ciudad de México.

● Luis Ismael Flores Chávez (2003). Aplicaciones de Cuasicristales en sistemas de baja fricción (Tesis de Licenciatura). Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Ingeniería, Ciudad de México.

● Alan Rodrigo Mendoza Sosa (2018). Movimiento circular en ambientes cuasiperiódicos: magnetorresistencia en cuasicristales (Tesis de Licenciatura). Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Ciencias, Ciudad de México.

● Yadav, TP y Mukhopadhyay, NK (2018).Quasicrystal: a low-frictional novel material. Current Opinion in Chemical Engineering. 18(1). pág. 163-169. https://doi.org/10.1016/J.COCHE.2018.03.005

● Carlos Amador Bedolla (2012). Cuasicristales. Educ. quím., 23(1), 69-70. http://dx.doi.org/10.22201/fq.18708404e.2012.1 ● Yadav TP: Recent research and development on quasicrystals. AIMS Mater Sci 2017, 4:172-177. ● Fukamichi K: Magnetic properties of quasicrystals. In Physical Properties of Quasicrystals. Springer Series in Solid-State

Sciences. Edited by Stadnik ZM. Springer; 1999. 126. ● Dubois JM: The applied physics of quasicrystals. Phys Scr 1993, 1993:T49A. ● Fujiwara, T. (2008). Quasicrystals. USA: Springer.

Química del Estado Sólido. Prof: José Francisco Gómez Garcia. Ocampo González Cesar Giovanni.

Diego Arturo Roldan Rangel.

Tema: Diodos.

Es conocido como parte de circuitos eléctricos, los cuales conducen la corriente en una sola dirección, de acuerdo a la corriente aplicada. Tienen una amplia aplicación en sistemas de tipo eléctrico, ya que facilita la manipulación de la corriente eléctrica. Propiedades Químicas y Estructura Su principal uso es en cualquier sistema eléctrico, debido a que su comportamiento es el de un semiconductor.que puede definir la condición de la corriente eléctrica,ya que posee una terminal cargada negativamente (semiconductor tipo n) y una terminal cargada positivamente (semiconductor tipo n). También su carga depende de la corriente de saturación, el voltaje del sistema y la carga eléctrica.

La relación para modelar l i-v de un diodo está dado por la siguiente ecuación: i=IS(eqv/kT −1) donde: Is: Corriente de saturación q: carga del electrón en Coulombs (1.602x10^19 C) v: voltaje en el diodo k: Constante de Boltzmann (1.380×10 −23 J/K) T: Temperatura medida respecto al cero Absoluto Generando una curva de caracterización para el diodo en una gráfico i-v

Diodos orgánicos emisores de luz (OLEDs): el uso de tierras raras y metales de transición. Hay dos regímenes que pueden limitar la corriente eléctrica en el funcionamiento del dispositivo: el límite de inyección y el límite de volumen. Límite de inyección: Considere, por ejemplo, un semiconductor de tipo n lo que sucede cuando el metal y el semiconductor se unen a través de una interfaz común es la presencia de problemas tanto electricos como morfológicos, algunos electrones migran desde el semiconductor al metal, dejando sitios positivos cerca de la interfaz. Esto resulta de la necesidad de alinear el nivel de Fermi. La energía electrónica en el volumen de semiconductores ahora es diferente y surge un campo eléctrico en la brecha de semiconductores dirigida a la interfaz del metal. Esto hace que aparezca una carga negativa

Química del Estado Sólido. Prof: José Francisco Gómez Garcia. Ocampo González Cesar Giovanni.

Diego Arturo Roldan Rangel.

en la interfaz del metal compensada, a su vez por una carga positiva en la interfaz del semiconductor. Dado que la densidad del donante en el semiconductor es mucho menor que la de los electrones en el metal, los donantes no compensados ocupan una región en la interfaz del semiconductor, denominada ancho de agotamiento. Un caso especial: Contacto óhmico. El comportamiento óhmico en una interfaz de metal-semiconductor no es exactamente una "inyección" porque las barreras eléctricas no necesitan superar una barrera potencial (energía). Un contacto óhmico es un contacto de resistencia eléctrica baja (o casi nula) que permite que una portadora fluya en ambas direcciones (metal -> semiconductor ->metal) dependiendo solo de la dirección del campo eléctrico impuesta por el voltaje aplicado. La importancia de este tipo de contacto es que, al tener un comportamiento de contacto óhmico, el dispositivo se puede limitar de forma masiva y, en situaciones específicas, esto es una ventaja. Idealmente, el contacto óhmico se parece a un depósito de carga eléctrica cuando se aplica un voltaje. Para comprender este fenómeno, consideremos un semiconductor de tipo n con una función de trabajo más alta que el metal utilizado para el contacto. Para voltajes de baja aplicación, cuando el flujo eléctrico está controlado por los bultos de semiconductores, obtenemos una relación lineal entre la corriente eléctrica y el voltaje aplicado. Para voltajes aplicados más altos, es posible que los portadores inyectados de electrodos metálicos controlen el flujo de corriente eléctrica y, por lo tanto, se pueda producir una corriente limitada (SCLC) del cargador de espacio. Límite de inyección: el efecto túnel. El efecto de tunelización es otra forma de explicar la inyección del portador en semiconductores a partir de un contacto metálico. El mecanismo físico básico se puede ver (y tratar) como un túnel directo (cuando el túnel portador atraviesa la barrera total) o un modelo de Fowler-Nordheim (cuando el túnel portador solo es un ancho parcial de la barrera). Para una breve explicación, podemos usar la idea principal desarrollada para los estados interfaciales en la unión. Aunque el efecto de tunelización no depende de las interacciones de Coulomb, la presencia de una densidad significativa de estados interfaciales puede promover el proceso. El efecto de tunelización generalmente ocurre cuando la energía de la banda de la interfaz metal-semiconductor está "distorsionada" por la presencia de la gran densidad citada de estados interfaciales. Complejos de tierras raras: La búsqueda de OLEDs cuasi monocromáticos La elección de los complejos de tierras raras. En contradicción con su "nombre", los materiales de tierras raras pertenecen a los más abundantes en la naturaleza y también se conocen como lantánidos porque pertenecen a este grupo en la tabla periódica. El principal problema es la cantidad de entonces que están "listos para usar". La extracción, el procesamiento y la preparación para aplicaciones específicas (por ejemplo, como precursores, por ejemplo, para el desarrollo posterior de nuevos complejos luminiscentes) siguen siendo un problema, aunque se han desarrollado nuevas rutas químicas, más eficientes y simples. A pesar de estos puntos, el trabajo en los nuevos complejos orgánicos RE está en un progreso increíble en las últimas dos décadas. Algunos aspectos deben ser subrayados como fundamentales y deben ser explorados más a fondo, como se mencionan a continuación:

Química del Estado Sólido. Prof: José Francisco Gómez Garcia. Ocampo González Cesar Giovanni.

Diego Arturo Roldan Rangel.

-Nuevos complejos luminiscentes con alta eficiencia interna y con alta estabilidad química. Uno de los principales problemas en el desarrollo de los OLED es precisamente la baja estabilidad de los complejos emisores que, en muchos casos, no se pueden aplicar como capa OLED activa, además de su fuerte luminiscencia y su alta eficiencia interna. -Simplificando la estructura OLED. Es muy importante para las aplicaciones tecnológicas que la arquitectura del dispositivo se haga más simple y posible. Naturalmente, este esfuerzo no puede comprometer la vida útil y el rendimiento del dispositivo. La arquitectura óptica es el dispositivo de tres capas y para el éxito, la síntesis del material también debe abordar los niveles de HOMO y LUMO, no solo para los complejos emisores sino también para el HTL y el ETL. -El alto emisor flexible deseado. Si para un dispositivo rígido la aplicación tecnológica lista (¡en principio!) Supera los principales inconvenientes de la encapsulación, las soluciones para dispositivos flexibles parecen alejadas de las necesidades del mercado requeridas. Bibliografía: -Pereira, L. (2012). Organic light emitting diodes: the use of rare earth and transition metals. Stanford: Pan Stanford publishing Pte.Ltd. - SanchisEsteban , B. Ejea Juan. El Diodo. (2008) Escuela técnica superior de Ingenieía. Universidad de Valencia. pp 1-12 -Huang, J,Chung C., & Chiang, S. (2014). Nitride semiconductor light-emitting diodes (leds): materials, performance and applications.. Lancaster University, Lancaster, United Kingdom: Woodhead publishing Limited.

Discos duros magnéticos Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Química Contreras Rosas Erick Gerardo. Rosales Rosillo Leonardo Iván

Química del estado sólido.

Los sistemas de almacenamiento de información magnética juegan un papel muy importante en esta era de información digital, es actualmente la forma dominante de almacenamiento para la mayoría de las computadoras. Desde 1997 los discos magnéticos registran densidades de área de hasta 10 Gb / pulgada. y aún queda mucho espacio hasta que se aproxime al llamado límite superparamagnético en 40-70 Gb / pulgada. Rango cuando los bits son tan pequeños que se vuelven térmicamente inestables. Componentes magnéticos de un disco duro.

Figura 1. Principales componentes de un disco duro. Los componentes magnéticos del disco duro (figura 1), objeto de estudio del presente trabajo, son; la cabeza de escritura, lectura y el disco; los cuales permiten el almacenamiento y recuperación de información binaria.1

La cabeza de escritura (figura 2) es una estructura de bobina de película delgada que cuando una corriente pasa a través de ella, imanta el núcleo de ferrita dentro de la bobina y genera un campo magnético (Ley de Ampere). el cual polariza el medio en un área del disco. Dado que el disco está girando, estas áreas polarizadas o bits se organizan a lo largo de pistas concéntricas y circulares.

Figura 2. Cabeza de lectura y escritura, sensor RM. La polaridad del campo magnético se invierte cambiando la dirección de la corriente que fluye a través de la bobina, esto genera transiciones de magnetización y estas a su vez convierten el disco en una distribución espacial de series de imanes diminutos con polaridad alterna. Los cambios en la polaridad invierten el flujo que emana de estos diminutos imanes.

De acuerdo con los principios de la inducción magnética (Ley de Faraday) un voltaje se produce en una bobina cuando esta se coloca en un campo magnético variable en el tiempo.

ε = − ΔtΔϕ

El voltaje inducido en la bobina del sensor de lectura se lee como datos binarios para la computadora. En los discos duros modernos, el cabezal de lectura es una estructura metalica de

película delgada (figura 2) que exhibe un efecto magneto-resistivo, es decir, su resistividad cambia cuando se pone bajo un campo magnético. En estos Magneto-resistivo (MR) el voltaje VMR es una medida directa del campo magnético producido por los bits binarios escritos en la superficie del disco. Por otro lado, el disco está conformado por platos magnéticos que giran a una velocidad radial de entre 3600 y 10 000 r.p.m. (figura 3) y están recubiertos con una película de un material magnetizable. Estos platos manipulan la información como energía en forma de campos magnéticos.

Figura 3. Platos magnéticos en un disco duro. La parte más importante de un disco de película delgada es la capa de grabación magnética. La capa de grabación magnética de película delgada ideal estaría compuesta de granos de alta coercitividad y alta anisotropía, que son mucho más pequeños que la celda de bits de grabación, de tamaño uniforme y aislados magnéticamente (sin acoplamiento de intercambio). La coercitividad mide la resistencia de un material ferromagnético a ser desimantado. La coercitividad usualmente se mide en oersted o amperios/metro y se denota como HC.

Actualmente una típica capa de grabación magnética en un disco de película delgada está hecha de una aleación a base de cobalto con una estructura cristalina hexagonal compacta (figura 4), incluyendo CoCrTa, CoCrPt, CoCrPtTa, CoNiCrPt.

Figura 4. Estructura cristalina hcp. La coercitividad de una capa magnética es generalmente una propiedad extrínseca. Por un lado, está determinado en gran medida por la anisotropía magnetocristalina y, en menor medida, por forma de anisotropía de los granos magnéticos. Por otro lado, la coercitividad puede verse muy afectada por el estrés de la película, defectos de cristal, tamaño de grano, orientación de grano, límites de grano, etc.2 Bibliografía

1. Abdullah Al Mamun, GuoXiao Guo, Chao Bi. Hard disk drive. CRC Press. 1era edición, noviembre 2, 2006.

2. Shan Wang, Alex Taratorin. Magnetic Information Storage Technology. Academic Press. 1era edición, abril 28, 1999.

3. Cuellar, Sergio. Lectura y escritura de información en un disco duro. Universidad Distrital Fco. José de Caldas.

Cerón González Roberto Francisco Rivas García Mariana

Ferroeléctricos

Para poder entender el fenómeno de

ferroelectricidad podemos empezar explicando un

fenómeno muy parecido como lo es el

ferromagnetismo y los ferroimanes.

En una sustancia ferromagnética los espines de los

diversos centros metálicos se acoplan en un

alineamiento paralelo (Fig. 1) que se sostiene sobre

muchos otros átomos en un dominio magnético. El

momento magnético de estas sustancias llega a ser

muy grande gracias a este acomodo de espines.

Aunado a esto, la magnetización establecida en la

sustancia permanecerá si ésta se mantiene por

debajo de la temperatura de Curie (Tc), ya que los

espines se inmovilizarán unos a otros. El fenómeno

de ferromagnetismo se presenta en materiales con

electrones desapareados en los orbitales d o f que a

su vez se acoplan con electrones desapareados en

orbitales similares de átomos vecinos. La clave de

esta interacción está en que no es suficientemente

fuerte para generar enlaces covalentes, ya que tiene

la fuerza justa para alinear espines.

Conociendo la capacidad que tienen los electrones

de alinear sus espines a partir de un campo

magnético, podemos transportar esa capacidad a las

polarizaciones eléctricas de muchas celdas unitarias.

La alineación de dichas polarizaciones genera una

permitividad relativa qué, por lo general, excede las

magnitudes de 103 en materiales ferroeléctricos y

puede llegar incluso a valores de 1.5 * 104. Una alta

permitividad relativa significa que el material se

polarizará fácilmente al ponerlo en contacto con un

campo eléctrico y esto a su vez genera que el

material ferroeléctrico sea capaz de almacenar

mucha más carga que otros materiales con menor

permitividad.

Uno de los principales materiales ferroeléctricos hoy

en día el es titanato de bario, BaTiO3. Este cuenta

con una estructura tipo perovskita (Fig. 2) por arriba

de los 120 °C y una simetría tetragonal (Fig. 3) por

debajo de esta temperatura.

El desplazamiento de los iones de su estructura de

alta simetría (perovskita) a la de baja simetría

(tetragonal) se traduce como una polarización

espontánea del material y es gracias a esto que el

Fig. 1 Alineamiento paralelo de los momentos magnéticos individuales en un material ferromagnético

Fig. 2 Estructura tipo perovskita del

Titanato de Bario, resaltando en un caso

la coordinación octaédrica del Ti y en el

otro mostrando una representación

poliédrica del compuesto.

Fig. 3 Estructura

tetragonal del

BaTiO3 que

muestra los

desplazamientos

locales de los

iones

Cerón González Roberto Francisco Rivas García Mariana

Ferroeléctricos

titanato de bario es un material ferroeléctrico. La

temperatura debajo de la cual puede ocurrir esta

polarización es conocida como temperatura de

Curie.

Aplicaciones

El titanato de bario como material dieléctrico tiene

aplicaciones a manera de condensadores multicapa,

condensadores de alto voltaje y como

supercondensadores para almacenamiento de

energía. Como material PTCR (positive temperature

coefficient of resistivity) puede ser utilizado en

limitadores de tensión y temperatura o bien como

sensores de nivel líquido. Puede ser aplicado

también como material piezoeléctrico, piroeléctrico

o semiconductor. Esto es gracias a las diferentes

permitividades que tiene dependiendo de la

temperatura a la que se encuentre y a su vez esto

sucede por la alineación de las polarizaciones de

cada celda unitaria para generar un material

ferroeléctrico.

Ferroelectricidad. Se trata del fenómeno que se

presenta en un material cuando la polarización de

cada una de sus celdas unitarias se alinea gracias a

un campo eléctrico, generando una gran capacidad

de almacenar carga.

Ferromagnetismo. Fenómeno físico a través del cual

los espines electrónicos llegan a un acomodo

paralelo al estar bajo un campo magnético,

generando una gran capacidad de tener una

magnetización permanente.

Ferroeléctrico. Material que presenta el fenómeno

de ferroelectricidad y, por lo tanto, es posible

polarizarlo por medio de un campo eléctrico.

Ferroimán. Compuesto en el que es posible

observar el fenómeno de ferromagnetismo y tiene

la capacidad de ser un imán permanente.

Temperatura de Curie. Se trata de la temperatura

de transición entre un estado ordenado y uno

desordenado ya sea con respecto a los espines

electrónicos o a las polarizaciones de cada celda

unitaria.

Permitividad relativa. Es la capacidad que tiene un

medio o material para polarizarse al entrar en

contacto con un campo eléctrico, generando un

desplazamiento eléctrico y por ende una mayor

capacidad de carga.

Bibliografía

• Shriver & Atkins. Química Inorgánica. McGraw-Hill Interamericana. México. (2008). Pág. 606, 609, 610.

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bario cerámico. Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidr.

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de Ciencias Exactas y Naturales. Dpto. de

Física.

• IUPAC. Compendium of Chemical

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Complied by McNaught and A. Wilkinson.

Blackwell Scientific Publications. Oxford

(1997). Online corrected version (2006).

• Figuras 1 y 3 tomadas de:

Shriver & Atkins. Química Inorgánica.

McGraw-Hill Interamericana. México.

(2008).

• Figura 2 tomada de: http://bit.ly/2Hgfk7x

(22:48 06/05/2019)

Melgarejo Rivero Natali Monserrat Molina Tenrreyra Uriel Omar

Fotocatalizador

Antes de poder explicar lo que es un fotocatalizador es necesario mencionar dos conceptos que permitirán entender el funcionamiento y concepto de un fotocatalizador

Actividad fotocatalítica. Esta es la propiedad de un material sólido inducida por la irradiación de fotones, cuya energía es igual o superior a la energía de banda prohibida (band gap) del material, en su superficie lo que provoca que los electrones que habitan en la banda de valencia (de menor energía) se exciten hacia la banda de conducción (de mayor energía) dejando así huecos en la banda de valencia. Con ello, se generan pares electrón-hueco ( ), llamados excitones, que se aprovechan para llevar a caboe− − h+ reacciones REDOX.

Fotocatálisis. Es el proceso mediante el cual se asiste una reacción fotoquímica por la presencia de un sólido (fotocatalizador), que se caracteriza por posibilitar reacciones no espontáneas (ΔG mayor a 0), por ejemplo la hidrólisis del agua.

Entonces se reconoce como un fotocatalizador a aquella sustancia sólida que posee un ancho de banda (osea que existe una diferencia energética entre las bandas de valencia y conducción), con lo cual permite que al ser irradiado con energía electromagnética los electrones de la banda e valencia se redistribuyen en la banda de conducción, dejando así huecos en su banda de valencia, generando pares electrón-hueco cuya naturaleza permite el paso a reacciones de tipo REDOX en la superficies del fotocatalizador

Es importante mencionar que la cinética de una reacción fotocatalítica depende de la intensidad de la luz incidente, así como la velocidad de recombinación entre huecos y electrones. El siguiente gráfico ayuda a visualizar la naturaleza de una reacción fotocatalítica, así como sus principales elementos.

Puesto que la naturaleza de las reacciones fotocatalíticas es de oxido-reducción, se puede asociar valores de potencial para las bandas de valencia y conducción de cada material.

De acuerdo al potencial de estos semiconductores para la oxidación o reducción del agua se pueden dividir en tres grupos:

Reductores: Pueden producir la reducción del agua y generar H2, sin embargo su potencial de oxidación es muy débil para oxidarla, como ejemplos se tienen: CdTe, CdSe y Si. Redox: En este caso existe la posibilidad de oxidar y reducir el agua, como ejemplos se tienen al dS, rTO , , nO, b OC S 3 T iO2 Z N 2 5 Oxidativos: Pueden producir la oxidación del agua y generar , ya que laO2 banda de valencia está localizada a un potencial energético suficientemente negativo.

Pudiendo observarse algunos ejemplos de estos fotocatalizadores acomodados de acuerdo a su naturaleza REDOX en el siguiente gráfico:

Aplicaciones

Debido a la abundancia,estabilidad química, alta fotoestabilidad, actividad fotocatalítica, no toxicidad y bajo costo el dióxido de Titanio es empleado en la mayoría de los casos como fotocatalizador, principalmente para la eliminación de agentes contaminantes en el aire, el agua y soluciones de interés, siendo de principal interés el uso de este en suspensiones para el tratamiento superficial de edificios y carreteras que ayudarían a la descomposición de óxidos de nitrógeno en nitritos y nitratos cuya naturaleza toxicológica es nula.

- Nevárez-Martínez, M. C., Espinoza-Montero, P. J., Quiroz-Chávez, F. J., & Ohtani, B. (2017). Fotocatálisis: inicio, actualidad y perspectivas a través del tio2. Avances en Química, 12(2-3), 45-59

- Garcés Giraldo, L. F., Franco, M., Alejandro, E., & Santamaría Arango, J. J. (2004). La fotocatálisis como alternativa para el tratamiento de aguas residuales.

- Rodriguez, J., Candal, R. J., Solís, J., Estrada, W., & Blesa, M. A. (2005). El fotocatalizador: síntesis, propiedades y limitaciones. Solar Safe Water, 9, 135-152.

- Arconada, N., Castro, Y., & Durán, A. (2008). Síntesis y propiedades fotocatalíticas de recubrimientos porosos de TiO2-anatasa producidos por sol-gel. In X Congreso Nacional de Materiales. Donostia (pp. 1-7)

QUÍMICA DEL ESTADO SÓLIDO (1414). PROYECTO: LÁSER (Aplicaciones en estado sólido). Rivera Gómez Maritza Lucero, Medina Salazar Irene Guadalupe. Introducción: La óptica puede clasificarse para su estudio en dos grupos, la óptica básica y la fotónica, la básica se encarga de estudiar los fenómenos fundamentales como la propagación de la luz de un medio a otro, la polarización, la difracción, y la coherencia de la luz, entre otros. La fotónica se refiere al estudio de fenómenos más complejos de la óptica, su estudio concierne al de los láseres, amplificadores ópticos, holografía, fibras ópticas, cristales especiales (fotónicos), electro-óptica, y óptica cuántica; desde la invención del láser en 1960 ha tenido influencia en las diversas áreas de la ciencia y tecnología, además debido la fuerte conexión que existe hoy en día entre la óptica y la electrónica se ha dado lugar a nuevas áreas del conocimiento que vinculan estrechamente la física, la ingeniería, la química y otras disciplinas del conocimiento cuyo objetivo es el estudio de la generación, transmisión, detección, control y manipulación de la luz. Las técnicas de diagnóstico basadas en el uso de la luz son no-invasivas y apropiadas para el análisis In situ de aspectos tales como composición, estado estructural y de conservación y autenticación de los objetos, entre las más destacadas se pueden mencionar la espectroscopia Raman (para la identificación de pigmentos inorgánicos y orgánicos, aglutinantes y barnices) ; la espectroscopia de plasmas inducidos por láser LIBS (para determinar la composición elemental de materiales, de forma micro destructiva y estratigráficamente), la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier FTIR (para determinar la estructura molecular presente en un material, usado generalmente para el análisis e identificación de componentes orgánicos como resinas, almidón y proteínas); la fluorescencia inducida con Láser (LIF); (para el análisis composicional de moléculas) las espectroscopias hiperespectrales (que ayudan a revelar características invisibles al ojo humano y así obtener información específica sobre la composición de pigmentos y consolidantes, entre otros. La aplicación del láser se ha concentrado básicamente en tres grandes áreas; por un lado en tratamientos de limpieza y preservación de objetos, así como también el desarrollo y aplicación de técnicas para el diagnóstico de estado, la caracterización de materiales y la identificación y autenticación de piezas.

Funcionamiento: El término láser proviene de la sigla en inglés LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), cuya traducción en español significa Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación. Se trata de un dispositivo utilizado para concentrar la luz en un haz estrecho, a través del cual puede emitirse ese haz concentrado y delgado de forma coherente, con suma eficacia. La luz que se emite desde este dispositivo se irradia de forma distinta a la que normalmente se irradia desde los átomos, que lo hacen de forma aleatoria y sin coherencia, es decir, los átomos irradian desordenadamente los fotones que se dispersan en todos los sentidos, sin uno determinado, mientras que el láser, los concentra y los direcciona.

Imagen 1: Estructura de la primera láser de rubí por Theodore Maiman. Imagen cortesía de HRL Laboratories, LLC. Albert Einstein fue el primero en desarrollar una teoría sobre la emisión estimulada en 1917 la cual es la base del láser, consiste en moléculas que mediante el suministro de energía externa pueden generar ganancia a la luz y amplificarla; los átomos se excitan generando una emisión de fotones que provocan un emision de luz al exterior, el medio activo pueden ser electrones, átomos o moléculas de

diversos materiales radioactivos. El mecanismo utiliza la excitación de una onda estacionaria entre dos espejos, uno opaco y otro translúcido, como resultado se origina una onda luminosa que rebota en los espejos, al mismo tiempo que escapa por el espejo translúcido. El láser está formado por un núcleo que suele ser de forma alargada, puede ser una estructura cristalina (hecha por ejemplo de rubí) o un tubo de vidrio que contiene gas, junto al núcleo está el excitador, el encargado de provocar la excitación lumínica de los electrones que se encuentran dentro del núcleo y el tercer componente de un láser son los espejos paralelos, que son colocados en ambos extremos del núcleo, uno de ellos es semi-reflectante lo que permite el paso parcial de la luz, por donde sale el haz de luz de un láser. El láser en estado sólido se refiere a láseres de estructura cristalina o materiales vítreos dopados de aniones apropiados, típicamente en este tipo de láseres la excitación del medio activo se lleva a cabo por medio de bombeo óptico generalmente a través de lámparas de destello como Kr y Xe, cuando el medio activo está contenido en un resonador óptico la ganancia resultante de la inversión de población causa oscilación y el medio activo emite radiación coherente intensa. De interés para los químicos del estado sólido hay diferentes categorías de láser que se pueden dividir en diferentes tipificaciones, un ejemplo de ellas es el láser de rubí: Rubí: El rubí es un cristal sintético de óxido de aluminio, contiene una concentración de alrededor de 0.05% de impurezas de iones de cromo Cr✝3, la forma geométrica típica que adopta el rubí usado en un láser es la de unas barras cilíndricas. Láser de Rubí: Fue el primer láser que se usó en el mundo, se caracteriza por tener como medio activo una varilla o una plancha sólida de aislante cristalino ligeramente impurificado, es el constituyente impurificado lo que proporciona la estructura energética requerida para producir el efecto láser. Características: El láser está formado por dos espejos, la varilla de rubí de unos ocho centímetros, pulida minuciosamente por sus extremos y bañada en plata y la lámpara de flash (contiene Xe típicamente), para la lámpara de flash la duración de los pulsos es del orden de milisegundos. Se produce una descarga eléctrica en el Xe, esta produce una descarga intensa la cual es absorbida por la varilla de rubí, algo fundamental es que la varilla de rubí debe tener un sistema de enfriamiento debido a la gran cantidad de calor que se genera por descarga. Funcionamiento: Un alto voltaje causa que el tubo de descarga emita una intensa explosión de luz, excitando a algunos de los átomos en el cristal de rubí a niveles de energía altos, en un nivel de energía específico, algunos átomos emiten partículas llamadas fotones, los fotones a partir de un átomo estimulan la emisión de fotones de otros átomos y la intensidad de luz se amplifica rápidamente, los espejos de cada extremo reflejan los fotones adelante y hacia atrás, continuando este proceso de la emisión estimulada y amplificada los fotones salen a través del espejo parcialmente reflejante y se emite la luz láser. Características ópticas: La principal longitud de onda es de 693.4 Å, la salida para el láser de rubí varía desde unos cuántos milijoules hasta varios cientos de joules, tiene eficiencia típica de 0.5% y cuenta con un diámetro de haz típico que varía de 5-10 (mm) . Aplicaciones del láser de rubí: Los láseres de rubí han sido cada vez menos usados con el descubrimiento de mejores medios amplificadores pero aún se utilizan en algunas aplicaciones donde se requieren pulsos cortos de luz roja, uno de los principales usos industriales es la perforación de agujeros a través del diamante, ya que la viga de alta potencia de rubí se acerca mucho a la banda de absorción ancha del diamante (la banda GR1) en el rojo, además de su uso en la investigación en el área de telemetría. Bibliografía

● Smart, L. y E. Moore. Química del estado sólido, una introducción, Addison Wesley Iberoamericana, Wilmington Delaware.

● Alejandra Catalina Valencia González, Revista Javeriana 815,tomo 151,"Y, ¿cómo apareció el láser?", pp. 32-36 (2015), https://opticacuantica.uniandes.edu.co/images/PDF/Articulos/artjaveriana.pdf

Piezoelectricidad Missael Zamora, Itzel Montiel.

Las propiedades eléctricas de los materiales dependen de si

son conductores o dieléctricos (aislantes) y de la naturaleza

de los portadores de carga: electrones o iones. Para

entender propiedades como la piezoelectricidad es vital

conocer la estructura cristalina de un material. Asimismo,

la conductividad eléctrica ocurre por diferentes

mecanismos en una gran variedad de materiales; dicha

variación origina las propiedades eléctricas características

de metales, superconductores y semiconductores.

Para entender el fenómeno de la piezoelectricidad es

necesario entender el de ferroelectricidad. La

ferroelectricidad está intermedia entre el comportamiento

como electrolito de un sólido (en el cual la migración de

iones sucede en largas distancias), y el comportamiento

dieléctrico (en el que no hay un desplazamiento neto de

iones a partir de los lugares que ocupan en la celda

cristalina); en los materiales ferroeléctricos los iones

pueden desplazarse aproximadamente 0.1 Å. La

ferroelectricidad ocurre en un grupo pequeño de materiales,

donde el límite de desplazamientos atómicos conlleva la

polarización neta y la creación de un momento dipolar.

Ahora bien, en la piezoelectricidad los desplazamientos

iónicos ocurren de manera espontánea y de forma variada al

aplicar presión mecánica sobre tal material. En el efecto

piezoeléctrico directo, la compresión y la expansión de un

material genera cargas eléctricas opuestas sobre las caras

respectivas de la muestra. En el efecto piezoeléctrico

inverso, la aplicación de una diferencia de potencial

eléctrico a un material piezoeléctrico produce una cierta

deformación.

Para entender mejor el fenómeno de la piezoelectricidad y

su relación con la estructura cristalina se parte del titanato

de bario (BaTiO3), prototipo de un material ferroeléctrico.

Éste tiene estructura de perovskita ideal por encima de los

120ºC. A temperaturas por debajo de los 120ºC el catión

pequeño (Ti4+

) abandona su posición simétrica ideal en el

centro de cada hueco octaédrico. Este desplazamiento

origina un dipolo eléctrico; polariza la estructura

eléctricamente y la torna no cúbica; lo que cambia las

dimensiones de la celda unitaria. La polarización eléctrica

espontánea en ausencia de un campo eléctrico se denomina

ferroelectricidad. La relación entre un campo eléctrico y la

deformación mecánica de una celda es conocido como

efecto piezoeléctrico: es posible convertir una señal

eléctrica en una mecánica y viceversa. Este cambio es, de

hecho, el mismo origen de la flexibilidad de esta estructura:

muchos iones pueden caber en un centro octaédrico.

La estructura de la perovskita es particularmente importante

por varias razones, una de ellas es que muchas perovskitas

son ferroeléctricas y piezoeléctricas.

La perovskita es un tipo de estructura cristalina que tiene la

formula general ABO3, donde A y B son cationes (A es

más grande que B) y O es anión, generalmente oxígeno.

En la celda unitaria, el átomo A se sitúa en las esquinas del

cubo, el átomo B en el centro del cubo y el átomo O en las

caras del cubo: A (0, 0, 0); B (½, ½, ½); O (½, 0, 0), (0, ½,

0) y (0, 0, ½).

Figura 1. Estructura de la perovskita.

Figura 2. BaTiO3 T > Tc (Cúbica) y BaTiO3 T < Tc

(Tetragonal); Tc = 393 K.

Figura 3. Polarización espontánea del BaTiO3 de acuerdo a

los cambios en la estructura cristalina.

Las pequeñas distorsiones de la estructura cúbica

mencionadas previamente, que son exhibidas por varias

perovskitas, son la fuente de sus momentos dipolo y, por lo

tanto, la causa de su comportamiento piezoeléctrico. Como se muestra en la Figura 1 la estructura cúbica perfecta

existe como a tal a T > 393 K y la estructura se distorsiona

en ausencia de campo eléctrico (campo cero) a T < 393 K.

Como se puede ver, la piezoelectricidad es una propiedad

reversible que, como se ha dicho, poseen sólo un grupo de

materiales que no tienen un centro de simetría. Cuando un

cambio dimensional es impuesto en un dieléctrico, ocurre la

polarización y se crea una diferencia de potencial eléctrico

o campo (efecto directo). Cuando un campo eléctrico es

aplicado al dieléctrico, la polarización puede cambiar sus

dimensiones: proceso inverso, denominado electrostricción.

Los materiales dieléctricos que exhiben este

comportamiento reversible son piezoeléctricos.

Entonces, bajo la acción de una aplicación de tensión

mecánica, los materiales piezoeléctricos se polarizan y

originan cargas eléctricas en las caras opuestas del cristal.

Tanto en ferro como en piezoelectricidad, el grupo de

simetría puntual debe ser sin centros simétricos. La

piezoelectricidad depende, por lo tanto, de la estructura

cristalina: de las treinta y dos clases cristalinas conocidas,

sólo algunas permiten que se presente dicha propiedad: 1,

2, 3, 4, 6, m, mm2, 3m, 4mm, 6mm, 422, 222, 622, 32 y 23;

y de la dirección de la tensión aplicada, por ejemplo, los

cuarzos que desarrollan una polarización cuando son

sujetos a una tensión compresiva a lo largo del plano [100],

pero no cuando son tensionados a lo largo de [001]. La

polarización P y la tensión σ, se relacionan para dar lugar al

coeficiente piezoeléctrico d:

P = dσ

Muchos cristales que contienen grupos tetraédricos (por

ejemplo, ZnO y ZnS), son piezoeléctricos por efecto de una

tensión que distorsiona el tetraedro. Uno de los más

importantes piezoeléctricos es PZT; titanato zirconato de

plomo, cuya composición química es Pbx(TiZr)1-xO3. Una

de las composiciones comercialmente más típicas contiene

aproximadamente el 47% de PbTiO3 y el 53% de PbZrO3.

Estas aleaciones son también antiferro y ferroeléctricas a

cierta composición. La mejor composición piezoeléctrica

ocurre a x ≈ 0.5

Para cerámicos y otros cristales las constantes

piezoeléctricas son anisotrópicas (las propiedades generales

como elasticidad, temperatura, conductividad, velocidad de

propagación de la luz, etc., varían según la dirección en que

son examinadas); por tal razón son expresadas en forma de

tensor. La dirección de las propiedades con el uso de

subíndices, por ejemplo, d31 es el coeficiente piezoeléctrico

donde la dirección de la tensión es a lo largo del eje 1 y, el

desplazamiento dieléctrico o la dirección del campo

eléctrico es sobre el eje 3 (los electrodos son

perpendiculares al eje 3); como se muestra en la Figura 4:

Figura 4.

La principal aplicación de los materiales con un

comportamiento ferroeléctrico, como los piezoeléctricos,

está en los capacitores dado que tienen una alta

permitividad, ε’, comúnmente con un rango de 102-10

4.

Asimismo, los principales materiales comerciales son

BaTiO3 y PZT, los cuales son empleados en su forma de

cerámicos policristalinos o películas delgadas. Dieléctricos

convencionales como el TiO2 o el MgTiO3 tienen una ε’ en

del rango de 10-100. Por lo tanto, dado el volumen y la

geometría, un capacitor de BaTiO3 tiene de 10 a 1000 veces

más capacitancia que un capacitor a base de TiO2.

La composición de un capacitor cerámico multicapas a base

de BaTiO3, MLCC (multilayer ceramic capacitor), se

muestra en la Figura 5. La tecnología para fabricar este tipo

de aparatos ha avanzado de manera increíble, con varios

cientos de capas alternadas de BaTiO3 y níquel sobre

electrodos metálicos con grosor cada uno de apenas un

micrómetro.

Figura 5. Capacitor cerámico multicapas.

Otra aplicación muy importante de los cristales

piezoeléctricos, y más concretamente del cuarzo, son los

osciladores electrónicos de precisión. Estos dispositivos

utilizan la frecuencia natural de resonancia mecánica del

cristal excitada por el voltaje externo para fabricar relojes

internos de ordenadores, relojes o en radios.

Bibliografía:

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ACADEMIC PRESS, INC, Estados Unidos de

Améria, 1992, 584 págs.

Carter C. Barry, Ceramic Materials. Science and

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Burns, G., & Glazer, A.M. (1978.). Space Groups

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ACADEMIC PRESS, INC. 183 págs.

Barragán Mayet Heber Octavio Química del Estado Sólido Fernández Alonzo Paulina

Celdas de combustible de óxido sólido

Las celdas de combustible son uno de los tres tipos de celdas electroquímicas que consisten en hacer reaccionar combustibles de alta energía como hidrógeno, carbono e hidrocarburos para producir trabajo eléctrico. Al igual que una celda primaria, la reacción de celda no es reversible , sin embargo, su diseño difiere en que se necesita de una alimentación continua de combustible para el funcionamiento de la celda. Existen diversos tipos de celdas de combustible, dependiendo de la combinación de combustible y oxidante, el electrolito, la temperatura de operación, la eficiencia eléctrica y el catalizador utilizado. Las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) son reactores electroquímicos, que producen trabajo eléctrico al oxidar el combustible (H2, CO, hidrocarburos ligeros y pesados), con el fin de transportar electrones a través de un circuito externo hacia el cátodo, donde ocurre la reducción de oxígeno molecular, posteriormente los iones O2- formados pasan a través del electrolito hacia el ánodo, donde forman compuestos residuales con el combustible oxidado. Presenta diversas ventajas sobre los motores de combustión interna; a pesar de utilizar combustibles fósiles, se produce una menor cantidad de CO2 al tener un alto grado de eficiencia del 60-70%, además, no emiten óxidos de nitrógeno. Al no presentar partes móviles, no producen ruido, ni requieren de un constante mantenimiento al no sufrir desgaste mecánico. Su temperatura de operación es posiblemente su mayor desventaja, al ser de 800-1000 ºC, por lo que requiere de un tiempo de inicio más prolongado.

Consisten en tres elementos principales: ánodo, electrolito y cátodo. Las características que debe tener el ánodo son

las siguientes: debe ser un gran conductor eléctrico (de un orden de 100 S cm-1), evitar la deposición del carbón, estable para las condiciones reductoras del combustible y ser poroso para permitir el paso del gas reactivo a la triple interfase (electrolito, gas y ánodo), que es donde ocurre la oxidación del combustible. Figura 1. Funcionamiento de una SOFC Un material ampliamente usado como ánodo es el cermet de YSZ (zirconia estabilizada por itria) con níquel, éste metal se usa preferentemente sobre Co y Pt por su bajo costo. También se ha propuesto el uso de cermets tipo Co/ZrO2 por presentar gran afinidad al electrolito YSZ y alta tolerancia a los sulfuros, sin embargo no es de uso común debido a su elevado costo. El cátodo de igual manera requiere tener alta conductividad eléctrica, se debe adherir a la superficie del electrolito, debe catalizar la disociación del oxígeno y necesita ser estable en medios oxidantes ya que en esta parte de la celda ocurre la reducción de oxígeno a iones O2-. Entre los materiales más utilizados se encuentran los de base La como el LSM (La0.8Sr0.2MnO3) o el LSF (La0.8Sr0.2FeO3), son los más usados por ser estables con electrolitos de zirconia. Existen cátodos base Sr (SSC: Sm0.5Sr0.5CoO3) pero no es conveniente pues el samario es de elevado costo, y los de base Gd (GSC: Gd0.6Sr0.4MnO3) que a pesar de poder trabajar a temperaturas menores a 800ºC, es propenso a reaccionar con YSZ.

Los electrolitos en este tipo de celdas son óxidos sólidos que deben cumplir ciertas funciones tales como: ser conductor iónico, aislante electrónico, químicamente estable a altas temperaturas y a condiciones redox, no ser poroso y ser de un material no costoso. El electrolito más utilizado es la zirconia al ser relativamente económica. Investigaciones recientes muestran que estructuras tipo fluorita favorecen la acción electrolítica para las SOFC con perovskitas, brownmilleritas, y óxidos de estructura hexagonal como alternativas. Otra alternativa son los electrolitos base Ce, que muestran elevada conductividad cuando se dopan con gadolinio, samario, itrya y calcio. Sin embargo, son inestables a presiones parciales bajas de oxígeno y al estar a una temperatura mayor a 700°C, ya que sufren un incremento súbito en la conductividad y provocan corto circuito. A diferencia de otros tipos de celdas de combustible, las SOFC pueden tener múltiples presentaciones, las más comunes son la tubular y la planar.

Figura 2. Diferentes geometrías de una SOFC De acuerdo a la potencia y las aplicaciones, la celda de combustible de óxido sólido utilizada para la generación de potencia pueden clasificarse en: I. Micro SOFC: generan algunos ~W para aplicaciones móviles. II. Unidades de potencia auxiliar (Auxiliary Power Units APU): Generan 250-500 W para unidades auxiliares en vehículos (camiones frigoríficos) o para suministrar a pequeños equipos remotos (ej. antenas).

III. Unidades residenciales: para generación de potencia distribuida para uso doméstico (~1-2 kW) y edificios (> 10kW) para suministro de potencia/calefacción. También para dispositivos portátiles (cargadores de baterías de 500 W), sistemas eléctricos de potencia pequeños (generadores de energía eléctrica auxiliares de varios kW) hasta centrales eléctricas de GD (sistemas eléctricos de varios MW). IV. Unidades Industriales y plantas de generación de potencia: Aplicaciones estacionarias/centralizadas industriales (1 MW) y para la producción de potencia (>50 MW). La celda de combustible de óxido sólido, podría ser usada en aplicaciones de potencia, incluyendo estaciones de generación de energía eléctrica a gran escala e industrial. Las eficiencias de generación de potencia pueden alcanzar un 60% sin cogeneración, al tiempo que la cinética de reacción en estas celdas es muy rápida y no requiere reposición de CO2 en el cátodo. Este tipo de celda utiliza un arreglo de tubos de un metro de longitud, cuya disposición permite alcanzar mayores eficiencias, mientras que otras variaciones incluyen un disco comprimido, ofrecen ventajas potenciales de fabricación y eficiencia. Bibliografía Castellan, G. (1987) Fisicoquímica. 2º Ed. Pearson Educación: México. P 421. J. Alvarado-Flores, L. Ávalos-Rodríguez. Revista Mexicana de Física 59 (2013) 66-87. Gómez, M. (2008) Sistema de generación eléctrica con pila de combustible de óxido sólido alimentado con residuos forestales y su optimización mediante algoritmos basados en nubes de partículas. (Tesis de pregrado). Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED), España. Cona, U. (1999) Las celdas de combustible: verdades sobre la generación de electricidad limpia y eficiente vía electroquímica. boletín iie. 208-8.

Semiconductores transparentes Murillo Miranda , Rosas Ortega Miguel Angel  Química del Estado Sólido, Facultad de Química. Universidad Nacional Autónoma de México, Ciudad de México, México.   Los semiconductores son materiales que a bajas temperaturas se comportan como aislantes de corriente eléctrica, pero que al someterlos a un campo eléctrico externo o a un aumento de temperatura, se comportan como conductores de corriente eléctrica. El comportamiento conductor también se le puede dar por medio de un dopaje, es decir con un exceso o ausencia de electrones (semiconductores tipo p o n) de modo que cuando se le hace pasar una corriente eléctrica se produce el movimiento de electrones.De acuerdo con la teoría de bandas la band gap en los semiconductores es de aproximadamente 1 eV.

Fig. 1 Band Gap en semiconductores

Los Óxidos Conductores Transparentes (TCO) pueden tener estructura amorfa o cristalina. Un factor importante en la conductividad de los TCO son los defectos cristalinos. Se han calculado las energías de formación de los defectos dentro de las redes usando la teoría de densidad funcional (DFT). Estos cálculos solo son válidos a 0 k, aunque se suelen emplear a condiciones experimentales ya que a pesar de que existen diferencias importantes en las energías de formación, aportan información útil. La evidencia experimental de los últimos años, indica que los defectos en los TCO aumentan la concentración de los portadores de densidad libres en el material.

Fig.2 Estructura de los Óxidos Conductores transparentes.

La diferencia de tamaños entre el catión del metal y los pequeños aniones de oxígeno, crean vacancias importantes de oxígeno. Dicha vacancia es un defecto negativo estable en los estados de carga 2+ y neutral. Otro defecto importante son las vacancias de cationes, estas limitan la densidad electrónica de los portadores de carga y la conductividad de los TCO. El hidrógeno por otra parte, es una impureza importante en los semiconductores, ya que es muy difícil retirarlo del ambiente de trabajo. En 1950 se observó que la difusión de Hidrógeno en ZnO aumentaba la conductividad. Después de cálculos con la DFT, se encontró que el Hidrógeno intersticial es estable y actúa como donante de densidad.

Fig. 3 Representación de las impurezas en ZnO por Hidrógeno

intersticial y sustitucional.

En cuanto a la transparencia, el primer efecto limitante es la absorción óptica entre las bandas de valencia y de conducción. Una vez que el material se encuentra dopado degeneradamente, las transiciones entre la banda de conducción inferior y las superiores se hacen posibles, y la energía necesaria para dichas transiciones se reduce. La escala de

Semiconductores transparentes Murillo Miranda , Rosas Ortega Miguel Angel  Química del Estado Sólido, Facultad de Química. Universidad Nacional Autónoma de México, Ciudad de México, México.   energía asociada a esta absorción se encuentra en el espectro IR, aunque esta puede aumentar al espectro visible. Así, para mantener la transparencia en los TCO se debe incrementar la energía de las transiciones de banda de valencia a banda de conducción y a su vez limitar la contribución de las transiciones en la banda de conducción y limitando la absorción óptica al final del espectro IR; esto manteniendo altas movilidades para tener una buena conductividad.

 

Aplicaciones: 

El primer óxido conductor transparente del cual se tiene conocimiento fue el óxido de cadmio, ya que se descubrió que el Cadmio al estar en una cámara de descarga luminiscente se podía oxidar y así volverse transparente sin dejar de ser un conductor eléctrico. Un óxido conductor común es el óxido de indio dopado con estaño, por sus siglas en inglés ITO es comúnmente utilizado para electrodos transparentes, dispositivos optoeléctricos y celdas solares. Ya que el indio es difícil de obtener y es escaso, lo cual incrementa su costo, ya no es tan sencillo producir ITO y el reciente desarrollo de nuevos dispositivos optoelectricos requieren cada vez más electrodos transparentes con propiedades especiales. Es aquí donde entran los semiconductores TCO, ya que se ha propuesto el uso de ZnO como una alternativa al ITO. Esto ha resultado muy beneficioso ya que tanto el ZnO es mucho más abundante que el ITO, a parte de no ser tóxico y barato y puede usarse con mayor eficiencia que el ITO en todas las aplicaciones antes mencionadas. Los semiconductores TCO que pueden utilizarse tienen que tener una concentración del orden de 1020 o mayor y una band cm−3 gap menor aproximadamente de 3 eV, y pueden ser semiconductores tipo p o n.

Bibliografía

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- Hosono, H. (2007). Recent progress in transparent oxide semiconductors: Materials and device application. Thin Solid Films, 515(15), 6000–6014. doi:10.1016/j.tsf.2006.12.125

Súper conductores tipo II

• Baruch Soto Mariana

• Valdez Alvarez C. Lizbeth

Los materiales sin importar si son buenos conductores, imponen cierta resistencia al movimiento

de cargas, es necesario aplicar un campo con la capacidad de aportar la energía necesaria para

generar y almacenar corriente eléctrica.

La superconductividad es un estado de la materia en el cual a ciertas condiciones de

temperatura, el campo magnético e intensidad de corriente eléctrica, tienen resistencia eléctrica

nula haciendo a un lado al campo magnético es decir que son diamagnéticos perfectos, el

fenómeno de superconductividad fue descubierto por primera vez en 1908 por el físico holandés

Heike Kamerlingh Onnes llegó a enfriar el helio hasta el punto de su licuefacción, a una

temperatura próxima al cero absoluto. Esta experiencia le permitió observar fenómenos

desconocidos hasta entonces y casi inconcebibles para los científicos de la época: por un lado,

la superfluidez y por el otro lado la superconductividad, que le fue posible demostrar hasta el

año de 1911.

Los superconductores pueden ser clasificados según su material ya sean materiales metálicos

o cerámicos o por su comportamiento físico, es decir el comportamiento de la resistencia frente

a un campo magnético estos pueden clasificarse en tipo I y tipo II, para el caso del presente

documento se profundizará en los superconductores de tipo II.

Los superconductores de tipo II son aquellos que suprimen

al campo magnético de manera paulatina de un estado

superconductor a un estado normal, a diferencia de los de

tipo I el cambio de este estado es drástico como se muestra

en la en el esquema 1.El primer superconductor de este tipo

fue data en año 1930 descubierto por Wander Johannes

de Haas y J. Voogd, aunque no fue posible reconocer como

tal hasta el descubrimiento del efecto Meissner.

Hacia el año de 1933 Meissner y Ochsenfeld realizaron un experimento en cual midieron la distribución del flujo magnético en los alrededores de materiales superconductores poniéndolo por debajo de su temperatura crítica la hipótesis era que el campo quedara

almacenado como el caso de un conductor perfecto la realidad era es que al llevar el material por debajo de la temperatura crítica se vuelve diamagnéticos y en consecuencia se anulaba todo el flujo convirtiéndolos en conductores perfectos.

Fig 1. Comparación de un superconductor tipo 1 y

uno tipo 2

Algunas de la propiedades que presentan los superconductores de

tipo II son las siguientes:

• los superconductores de este tipo un grupo heterogéneo, es

decir que puedes tener más de 1 componente pueden ser aleaciones,

cerámicas o elementos puros; entre como los más comunes son : el

carbono, el niobio, el tecnecio y el vanadio.

• Posee 2 temperaturas criticas las cuales marcan el intervalo

cuando el material está en un estado mixto es decir está el estado de

superconductor y el, por consiguiente se espera que tenga dos campos

magnéticos críticos

• La magnetización alcanza su máximo en Hc1 como se aprecia en la fig1. y disminuye de

manera gradual hasta Hc2

Existe un criterio para clasificar si se trata de un superconductor de tipo 1 o uno de tipo 2 el cual

es el parámetro de Ginzburg-Landau, establece que

Entonces la energía superficial del superconductor

es negativa y se trata de un superconductor de tipo II.

Aplicaciones:

1) La producción de grandes campos magnéticos. Al decir grandes nos referimos tanto a una gran intensidad del campo magnético como al espacio en el cual se crea el campo.

2) La fabricación de cables de transmisión de energía. Aunque éstos ya se manufacturan a partir de los superconductores convencionales (no de los nuevos superconductores cerámicos), actualmente no son competitivos comercialmente con respecto a los cables aéreos normales, a menos de que cubran una gran distancia (de cientos de kilómetros). En los casos en que las líneas de transmisión deben ser subterráneas, habría cierta ventaja económica con la utilización de los cables superconductores.

3) La fabricación de componentes circuitos electrónicos. Estos dispositivos electrónicos fueron ideados originalmente con la intención de utilizar la transición de estado normal a estado superconductor como un interruptor, mas resultaron decepcionantes con respecto a los logros alcanzados por los transistores de películas delgadas y se ha abandonado su uso en este aspecto. Este panorama puede cambiar con el descubrimiento de los nuevos materiales superconductores cerámicos. Cabe mencionar que son de gran interés los dispositivos basados en la utilización del llamado efecto Josephson (que es el efecto de "tunelamiento" conocido por la mecánica cuántica, pero de corriente de superconductividad aun en ausencia de un voltaje aplicado). Resultan superiores a otras tecnologías y tienen un gran campo de aplicación que va desde la detección de señales del infrarrojo lejano que provienen del espacio exterior, hasta pequeñísimos campos magnéticos que se producen en el cerebro humano. También la corriente Josephson a voltaje cero depende fuertemente de un campo magnético aplicado, lo que lleva a la posibilidad de tener un interesante interruptor para circuitos lógicos en las computadoras.

Fig 2. Efecto Meissner.

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PARA TODOS, FONDO DE CULTURA ECONÓMICA .

CRISTINA SAEZ. (07-03-18). DESCUBIERTA UNA NUEVA PROPIEDAD DEL GRAFENO. LA

VANGUARDIA, 17, 20-22. 05-JUNIO-2019, De LA VANGUARDIA Base de datos

Palau, Anna ; Rouco, Víctor ; Luccas, Roberto F.; Obradors, Xavier ; Puig Molina, Teresa .

(SEPTIEMBRE 2017). SUPERCONDUCTORES. En Vortex dynamics in nanofabricated chemical

solution deposition high-temperature superconducting films(35-60). BARCELONA: ICMAB .

Integrantes: 

-Haro Torralba Reina Elizabeth 

-López Guzmán Mario 

Superconductores Tipo 1 Los materiales superconductores se caracterizan por presentar resistencia cero al flujo de electrones y el efecto Meissner-Oschenfeld principalmente, estos se clasifican en dos tipos: Tipo I y tipo II. Ciertos metales, en particular los que tienen bajas temperaturas de fusión y son mecánicamente suaves, de fácil obtención en un alto grado de pureza y libres de esfuerzos mecánicos internos, exhiben semejanzas en su comportamiento en el estado superconductor. Estos materiales superconductores reciben el nombre de superconductores ideales, superconductores tipo 1, o suaves. Los superconductores tipo I son generalmente metales puros y algunas aleaciones de estos, generalmente son conductores a temperatura ambiente y adquieren propiedades de superconductividad a muy bajas temperaturas, el primer elemento descubierto con estas propiedades fue el mercurio. Por otro lado, el grupo de superconductores tipo II está conformado principalmente por aleaciones metálicas, teniendo como excepción de metales puros el vanadio, tecnecio, Niobio y carbono. En 1908 el físico alemán Heike Onnes Kamerling inició su trabajo en el área de las bajas temperaturas a través de la licuefacción de helio, tres años después, en 1911, encontró que a la temperatura de 4.2 K la resistencia del mercurio era prácticamente nula, sufriendo un cambio repentino, en la figura 1 se muestra este comportamiento. A la temperatura donde los materiales dejan de presentar resistencia se le conoce como temperatura crítica. En general la temperatura crítica asociada a los superconductores del tipo II es mayor que la que presenta los superconductores tipo I. También correspondió a Heike Kamerlingh Onnes observar que cuando el material se encuentra en un estado de superconductividad y es aplicado un campo magnético con intensidad mayor que cierto campo magnético crítico, la superconductividad es destruida y el material tiene una transición de fase, pasando del estado de superconductividad a un estado de conductividad normal. Por otro lado, también notó que a cualquier temperatura T<Tc, en ausencia de un campo magnético, el estado superconductor podía destruirse aumentando la corriente por arriba de un valor crítico y, así mismo, que la temperatura de transición superconductora, Tc, disminuye cuando la corriente o campo magnético que pasaba por un superconductor crecía.

En 1933 los físicos alemanes Walther Meissner y Robert Oschsenfeld encontraron que el flujo de campo magnético no penetra a los materiales, lo que corresponde a tener en β = 0 la muestra. Este fenómeno es conocido como el Efecto Meissner, con el cual se demuestra que un superconductor es diamagnético. En la figura 2 se muestra el gráfico que ilustra el comportamiento del campo magnético interno del material en función de la fuerza de campo magnético externo aplicado. Se

observa que el campo interno es cero hasta el valor de campo crítico, HC o BC que es donde ocurre la transición abrupta en la intensidad del campo. El cambio abrupto del campo es una propiedad que caracteriza a los superconductores del tipo I. Una de las primeras preguntas que surgieron cuando se descubrió la superconductividad fue si el estado superconductor es más ordenado o no que el estado normal, para esto se calculó el cambio de entropía del material, obteniendo que la entropía del estado superconductor es menor que la entropía en un estado normal. Sin embargo, al pasar al estado superconductor, la estructura cristalina no cambia lo que significa que el mayor ordenamiento que se presenta en el material al pasar al estado superconductor corresponde a los electrones, los electrones llegan a un estado de mayor ordenamiento del que tienen en estado normal. Al igual que en un metal en el estado normal, el calor específico de un metal en el estado superconductor consiste, básicamente, en una contribución de la red de iones del metal y una contribución electrónica. Experimentalmente se encuentra que la contribución electrónica en calor específico el estado superconductor está dada por una variación muy distinto a lo correspondiente a un estado normal pero típica a la contribución electrónica al calor específico de un material semiconductor. Es claro que algo ha de ocurrir con los electrones de un material para que se dé el paso al estado superconductor, algo que los vuelva super electrones de manera que nada los dispersé dentro del material pero que al subir la temperatura por arriba de la temperatura crítica del material, al aplicar un campo magnético con una intensidad mayor que la del campo magnético crítico correspondientes o al aplicar una corriente por arriba de la corriente crítica el material vuelve a su estado normal y por tanto también los electrones. Para disminuir la resistencia de un material al paso de electrones podemos pensar que los súper electrones son los electrones en un estado en el que se encuentran unidos entre sí en grandes conjuntos para su avance en el material de manera que no puedan ser dispersados por nada dentro de él así podemos decir que la transición al estado superconductor lleva a los electrones amarrarse en grandes enjambres que no encuentran resistencia a su paso por el material,esto nos lleva a un estado en el que los electrones se atraen mutuamente lo cual no concuerda con la repulsión de cargas según Coulomb para lo cual surge la teoría del par de Cooper donde no se ve como cargas puntuales en el vacío, se ve la interacción de los electrones con toda la red metálica.

 

 

Bibliografía. 

-A. Roque, D. M. Sousa. Superconductivity and their Applications. RE&PQJ,Vol. 1, No. 15, 

April 2017. Pág. 322-327. Dirección electrónica: https://doi.org/10.24084/repqj15.308 

-M. R. Ososrio, D. E. Lahera. Magnetic levitation on a type-I superconductor as a practical 

demostration experiment for students. European Journal of Physics, 25 julio 2012. DOI: 

10.1088/0143-0807/33/5/1383 

-Joe Khachan, Stephen Bosi. Superconductivity.  

-Magaña, S. (2003). Los superconductores. Tercera edición. La ciencia para todos: Mèxico. 

Pág. 27,33-42.

Tema: Termoeléctricos

alumnos: Castillo Corzas Daniel

Villaneda Labastida Cielo Edmundo Cazares Alvarez

Fenómeno

El mecanismo principal por el que se absorbe energía térmica en un sólido es el de vibraciones de los nudos de la red (en un sólido cristalino) o de los átomos o iones (en general) alrededor de sus posiciones de equilibrio, a T = 0K los átomos o iones están quietos en los nudos de la red y a medida que se va subiendo la temperatura, es decir, a medida que se va dando energía calorífica al sistema los átomos o iones empiezan a vibrar armónicamente en torno a las posiciones de equilibrio. A más temperatura, más vibración o agitación térmica. El efecto termoeléctrico es de naturaleza dual uno

lo describe el efecto Peltier, que nos muestra que

un flujo de carga, es decir que un flujo de carga

provoca un flujo de calor. Este flujo de calor es

proporcional a la diferencia de potencias

termoeléctricas diferenciales entre los dos

materiales. El otro es el efecto Seebeck consiste

en la generación de electricidad debido a la

diferencia de temperatura entre la unión de dos

materiales y el coeficiente Seebeck mide la magnitud de este efecto.

Teniendo los conductores potencias termoeléctricas diferenciales similares, se

sigue que la utilidad práctica es baja. Sin embargo, ya Lenz en 1838 usando Sb y

Bi consiguió valores unas nueve veces mayores que para conductores.

Actualmente, en las aplicaciones se usan aleaciones semiconductoras extrínsecas,

como, por ejemplo: Si0,78Ge0,22, que dopadas convenientemente pueden llegar a

dar valores casi 50 veces mayores que los correspondientes a los conductores. Este

efecto es aplicable a la construcción de células Peltier (fig. 1) que aprovechan la

absorción de energía calorífica por la unión para enfriar una placa cerámica en

contacto con el sistema. Con este dispositivo se pueden construir neveras portátiles

y sistemas similares

Justificación del fenómeno El efecto termoeléctrico, que nos permite obtener energía eléctrica partiendo de un

gradiente de temperatura, o al contrario, obtener calor o frio partiendo de una

diferencia de voltaje.

propiedades químicas y estructurales

semiconductores

a 0 K tiene una banda electrónica completamente llena separada solamente de

una banda vacía por una pequeña banda prohibida de energía (un eV o menor).

figura 1 Efecto Seebeck a la izquierda. Efecto Peltier a la derecha. En un par termoeléctrico para generación de electricidad y refrigeración

Tema: Termoeléctricos

alumnos: Castillo Corzas Daniel

Villaneda Labastida Cielo Edmundo Cazares Alvarez

No hay conducción eléctrica porque los electrones no son capaces de cambiar

sus estados energéticos en presencia de campos eléctricos pequeños.

Sin embargo, a temperaturas mas altas existen suficiente activación térmica para

que algunos electrones sean excitados desde la banda inferior (banda de

valencia) a la banda superior (banda de conducción). Cuanto mas alta es la

temperatura más electrones serán excitados a la banda de conducción y existirá

una tendencia a que la conductividad aumente con la temperatura. Los

elementos semiconductores mas importantes son el Ge y Si. En el átomo libre

tienen cuatro electrones en una capa externa medio llena (en los orbitales s y p).

En el sólido están ligados de manera covalente a cuatro vecinos, los orbitales s

y p están mezclados y forman una banda de valencia completamente llena. La

búsqueda de nuevos materiales a llevado a un estudio de los compuestos

semiconductores que tienen otras bandas prohibidas de energía y distinta forma

de bandas, los mas importantes son compuestos de un átomo trivalente y

pentavalente, tales como; AsGa,PGa,SbIn,Pin.

Aplicaciones Ejemplos comerciales de la aplicación de los efectos Seebeck y Peltier son

dispositivos que generan electricidad con el calor corporal o refrigeradores

portátiles. Los módulos termoeléctricos nos ofrecen la posibilidad de recuperar

parte de esa energía para transformarla en electricidad, abriendo de esta forma

una nueva forma de conversión de energía que puede ayudar a resolver

problemas energéticos y medioambientales existentes. Gran parte de esas

pérdidas se deben a la disipación de calor. Los materiales termoeléctricos son

capaces de aprovechar esas pérdidas para producir electricidad. Sin embargo,

la eficiencia de este tipo de materiales es muy limitada, por lo que por ahora la

termoelectricidad es un campo donde desarrollar importantes avances. Otro

ejemplo de generación de electricidad mediante materiales termoeléctricos

podemos encontrarlo en la industria aeroespacial. En este ámbito es remarcable

el uso de termoeléctricos de SiGe en la sonda Voyager como fuente de energía.

La sonda dispone de generadores termoeléctricos de radioisótopos que

contienen en su interior elementos que se desintegran radiactivamente para que

el calor que generan sea transformado en corriente eléctrica por medio del efecto

Seebeck.

Bibliografía;

Journal of Materiomics Volume 1, Issue 2, June 2015, Pages 92-105

ENCESLAO GONZALEZ VIÑAS. (21/04/2016). CIENCIA DE LOS MATERIALES. MADRID, ESPAÑA: UNIVERSIDAD DE NAVARR

H.M Rosenberg 1975.El estado sólido. Una introducción a la física de los cristales. Madrid, Editorial Alianza

I. INTRODUCCIÓN

Un termopar es un dispositivo cuya principal

aplicación es la medición de la temperatura. Se originan

del trabajo de Seebeck (1822), quien encontró que

pequeñas corrientes eléctricas fluyen en un circuito

cerrado que consiste de dos materiales conductores de

diferente naturaleza, cuando existe una diferencia de

temperatura en la junta de estos materiales. [1]

Por lo tanto, un termopar consiste en la conversión de

energía térmica en energía eléctrica. La energía eléctrica

resultante es función de la diferencia de temperatura,

por lo tanto puede utilizarse como un artefacto de

medición. [1]

Se seleccionan pares de termoelementos cuyos voltajes

varían de manera regular con la temperatura en la junta.

Se pueden hacer las mediciones manteniendo una de

las uniones a una temperatura conocida y reproducible

llamada temperatura de referencia (generalmente 0°C),

a esta junta se le llama “junta fría” o “junta de

referencia”. La otra unión se conoce como “junta

caliente” o “junta de medición”. [1]

La relación entre el voltaje y al temperatura puede ser

expresada en tablas, curvas, ecuaciones o dispositivos

acoplados al sistema. [2]

II. FUNCIONAMIENTO

Si se calienta lo suficiente una barra conductora por sus

extremos las vibraciones de los átomos serán tan

elevadas que muchos de los electrones ligados a éstos

pasarán a ser electrones libres.

Como consecuencia de ello se producirá un gradiente

de cargas libres, puesto que en el extremo caliente la

densidad de electrones será mayor que en el frio. Este

gradiente de lugar a una difusión de los electrones hacia

el extremo frio, y por lo tanto a una carga neta positiva

y una carga neta negativa en el frio. La carga positiva,

fija, ejerce una fuerza de atracción sobre los electrones

que se mueven hacia el extremo frío, estableciendose

un equilibrio de fuerzas en el que existirá gradiente de

carga mientras exista gradiente de temperatura. El

gradiente de carga origina un campo eléctrico y una

diferencia de potencial que recibe el nombre de fuerza

electromotriz Thomson.

Este dispositivo funciona de forma que cuanto mayor

sea la diferencia de temperaturas entre ambas uniones

mayor será la tensión generada. [7]

Las características que debe de tener un termopar son:

Proporcionar una fuerza electromotriz estable

en el dominio de su utilización durante un

largo periodo de tiempo.

Ser resistente a la agresividad del medio en el

que se va a utilizar, es decir, no perder sus

características eléctricas ni mecánicas.

Presentar una buena relación fuerza

electromotriz/temperatura

III. EJEMPLOS Y APLICACIONES

Cada termopar tiene por características identificativas

un color y un simbolo (Tabla 1). La selección de un

termopar está en función del intervalo de temperatura,

la sensibilidad y exactitud requeridos. Se dividen en dos

tipos:

Metales base

Se utilizan metales como cobre, hierro y sus aleaciones.

Son baratos, operan en un intervalo menor de

temperatura y tienen respuesta magnética y no

magnética. Algunos ejemplos de este tipo son

termopares tipo E, J, K, N, T y se muestran en la tabla

1.

Las figuras 1 y 2 son ejemplos de un termopar tipo J y

uno tipo K.

Termopares

Alumnos: Vega Hernández Brenda Tamara, Velázquez Mendoza Laura Daniela

Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de Química

Química del Estado Sólido (1414). Grupo 03

Semestre 2019-2

(1) (2)

Figuras 1, 2. (1) Termopar Tipo J [4] (2) Termopar

Tipo K [5]

Metales nobles

En este caso se utilizan metales como platino y sus

aleaciones, principalmente rodio. Son más costosos

pues operan a mayores temperaturas y no tienen

respuesta magnética. Algunos ejemplos son

termopares tipo B, R, S, y se muestran en la tabla 1. La

figura 3 muestra un termopar tipo S.

Tabla 1. Ejemplos de termopares. [3]

Tipo de Termopar

Composición Intervalo de Temperatura

[°C]

B

+ (30Rh-Pt) - (6Rh-Pt)

0 – 1700

C

+ (5Re-W) - (26Re-W)

0 – 2320

E

+ Cromel (10Ni-Cr) - Constantán (45Ni-

Cu) (-200) – 900

J

+ Hierro - Constantán (45Ni-

Cu) 0 – 750

K

+ Cromel (10Ni-Cr) - Alumel (5Al,Si- Ni)

(-200) – 1250

N

+ Nicrosil (14Cr,Si-Ni)

- Nisil (4Si,Mg-Ni) (-200) – 1250

R

+ (13Rh-Pt) - Pt

0 – 1450

S

+ (10Rh-Pt) -Pt

0 – 1450

T

+ Cu - Constantán (45Ni-

Cu) (-200) – 350

Figura 3. Termopar Tipo S [6]

IV. BIBLIOGRAFÍA

[1] Pollock, Daniel D. Thermocouples: Theory and

Properties. State University of New York at Buffalo,

New York. CRC Press (1991)

[2] Pollock, Daniel D. The theory and Properties of

Thermocouple Elements. State University of New York at

Buffalo, New York. ASTM Special Technical

Publication (1971)

[3] Raj Adhikari, Krishna. “Thermocouples. Facts and

Theories”. The Himalayan Physics. Vol. 6 & 7, April 2017

(10-14)

[4] IndiaMart.

<https://www.indiamart.com/proddetail/j-type-

thermocouple-14476900488.html> Consulta:

29/04/2019

[5] RS Components & Control

<https://in.rsdelivers.com/product/rs-pro/xq-404-

rs/rs-pro-type-k-thermocouple-150mm-length-

45mm/7621128> Consulta: 29/04/2019

[6] Krueger Pottery Supply <

https://kruegerpottery.com/products/tgsjupug-3>

Consulta: 29/04/2019

[7] Criado-Sancho, M, Casas-Vasquéz, J, Jou, D.

Termodinámica química. UNED. Madrid. (2013)

MOF’s Arsenio Natahel Cruz Cardoso

Alvaro Jonathan Cortina Mendoza Metal-organic frameworks (MOF’s) son una clase de materiales cristalinos porosos formados por la unión de átomos o agregados metálicos con ligandos orgánicos mediante enlaces fuertes (Síntesis reticular) con esto se logra generar estructuras que se extienden en el espacio en varias dimensiones y tienen el potencial para un diseño de moléculas flexibles, aparte de poder controlar de forma más óptima el tamaño del poro y su funcionalización. En un principio la dificultad de mantener una porosidad permanente y su necesidad de requerir moléculas extra, como disolventes, para evitar colapsar dificultaron el progreso en esta área. Aunque actualmente se han logrado solventar esos problemas con nuevas estructuras (Figura 1).

Suelen tener una porosidad, que por lo general es permanente, mayor al 50% del volumen cristalino del MOF y sus áreas superficiales van desde 1000 m2/g a los 10000 m2/g (1). Estos materiales han generado un gran interés durante los últimos años debido a las múltiples aplicaciones que pueden encontrar en muy diversas áreas (1), por ejemplo:

● Adsorción y almacenamiento de gases ● Catálisis heterogénea, ● Reconocimiento molecular ● Usar los pororos como contenedores de

reacciones. ● Activación de moléculas pequeñas

(Hidrógeno, Metano, Agua, etc.) ● Separación de gases. ● Conducción de protones, electrones y iones. ● Imágenes biomédicas.

Los MOF’s han dado lugar al desarrollo de una nueva área en la ciencia de materiales gracias a su combinación de las aplicaciones de la química inorgánica con la versatilidad de la química orgánica y la riqueza estructural de la química del estado sólido.

Entre los desarrollos generados en el campo de los MOF’s, cuatro son los más importantes (1) y son:

1. El principio geométrico de construcción se realiza mediante el enlace de unidades de construcción secundarias (SBU’s) con formas rígidas, como cuadrados u octaedros, a diferencia de los enlaces en redes de coordinación. Este enfoque ayudó a generar estructuras con poros permanentes.

2. Se generaron MOF’s con una gran porosidad y poros inusualmente largos.

3. Modificación post-sintética de los MOF’s que incorporan unidades orgánicas y complejos metal-orgánicos para cambiar la reactividad de los poros.

4. MOF’s multivariados que en sus muchas funcionalidades orgánicas son incorporadas dentro de una sola estructura y han generado la oportunidad de manipular la complejidad de los poros en los MOF’s.

Dado que los MOF’s están construidos por enlaces fuertes, muestran una gran estabilidad térmica, resistiendo temperaturas entre los 250°C y los 500°C (2). Por otro lado es difícil hacer MOF’s estables químicamente dado que suelen reaccionar con los disolventes, el primer caso de un MOF con una gran estabilidad química fue el de ZIF-8, reportado en el 2006 (3), ZIF-8 no fue afectado de manera significativa por un baño en metanol, benceno y agua a 100°C por 7 días, ni por una disolución de NaOH concentrada y a 100°C por 24 horas. El control preciso en el ensamblaje de los MOF’s ha impulsado este campo y se han logrado obtener materiales más sofisticados, por ejemplo se han logrado sintetizar materiales que tienen (1):

● Compartimientos unidos que operan por separado pero sinérgicamente.

● Destreza para realizar operaciones paralelas. ● Habilidad para contar, ordenar y codificar

información. ● Capacidad de dinámicas con alta fidelidad.

En el MOF-5, las agrupaciones octaédricas de Zn-OC están unidas por puntales de benceno para articular una estructura cúbica primitiva y producen una estructura excepcionalmente rígida y altamente porosa. Su estructura cúbica primitiva, da pie a nuevos diseños de MOF´s que permitan un mejor

almacenamiento de gases, como el metano (2), que se utilicen como combustibles. Los ZIF (marcos de imidazol zeolíticos) son tipos especiales de MOF que tienen propiedades especiales que justifican un nombre especial. Los materiales conocidos se construyen en gran parte a partir de Zn o Co tetraédricos unidos al nitrógeno del imidazolato o un ligante derivado del imidazol y todo el marco ZIF se construye a partir de enlaces fuertes (Figura 2). Estos ligantes les confieren su analogía estructural con las zeolitas, debido a que el ángulo de enlace M-IM-M de 145° es igual al ángulo de enlace Si-O-Si encontrado en las zeolitas. La diferencia en la resistencia de la unión metal-nitrógeno en ZIF y compuestos de coordinación se ilustra por la excepcional estabilidad química y térmica de los primeros.

En conclusión los MOF’s son un nuevo y amplio campo de trabajo dentro de la química del estado sólido, cuyas aplicaciones son inmensas y pueden ser piedra angular de nuevas innovaciones dentro de la ciencia y la tecnología, a mediano y corto plazo. Como podría ser la innovación de almacenamiento de combustibles no fósiles, la absorción de gases de efecto invernadero, entre muchas más, dependiendo del interés que se les dé a estos. Bibliografías.

1. Furukawa, H., Cordova, K. E., O’Keeffe, M., & Yaghi, O. M. (2013). The chemistry and applications of metal-organic frameworks. Science, 341(6149). https://doi.org/10.1126/science.1230444

2. M. Eddaoudi et al., Systematic design of pore size and functionality in isoreticular MOFs and their application in methane storage. Science 295, 469–472 (2002). http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=PubMed&list_uids=11799

235&dopt= Abstract. doi: 10.1126/science.1067208; pmid: 11799235

3. K. S. Park et al., Exceptional chemical and thermal stability of zeolitic imidazolate frameworks. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 10186–10191 (2006). doi: 10.1073/pnas.0602439103; pmid: 167988 80

4. Yu-RiLee, Min-SeokJang, Hye-YoungCho, Hee-JinKwon, SanghoKim, Wha-SeungAhn (2015). ZIF-8: A comparison of synthesis methods. Chemical Engineering Journal Volume 271, 1 July 2015, Pages 276-280 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894715003034?via%3Dihub

5. David J. Tranchemontagne, José L. Mendoza-Cortés, Michael O’Keeffea and Omar M. Yaghi (2009). Secondary building units, nets and bonding in the chemistry of metal–organic frameworks. Chem. Soc. Rev., 38, 1257-1283 https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2009/CS/b817735j#!divAbstract

2

Transistores

Cortez Pérez Francisco Javier, Inzunza Rodriguez Camila Araceli Química del estado sólido

El primer transistor fue inventado por Bardeen y Brattain en 1947, donde una lámina de oro cortada a lo largo de un borde es presionada hacia abajo en la superficie de una losa de germanio utilizando una cuña de poliestireno, lo que forma dos contactos estrechamente espaciados con esta superficie (Imagen 1). En 1956 Shockley, Bardeen y Brattain fueron (en ese orden) galardonados con el premio nobel por sus “investigaciones en semiconductores y el descubrimiento del efecto de los transistores”, con su trabajo se dio paso al nacimiento de empresas como SONY.

Imagen 1. Transistor de punto- contacto inventado por Bardeen y Brattain en Diciembre de 1947.

Un transistor es un dispositivo electrónico en estado sólido que se encuentra en todos los dispositivos electrónicos que utilizamos en la actualidad, permitiendo regular la corriente eléctrica, con esto se logra controlar una gran potencia a partir de una pequeña, su funcionamiento se basa en la unión de materiales semiconductores, generalmente materiales como silicio o germanio. Existen tres tipos de transistores: de efecto campo de unión (JFET por sus siglas en inglés), de efecto de campo de unión metal-semiconductor (MESFET) y de metal-óxido-semiconductor (MOSFET); sin embargo a partir del JFET se crearon los otros dos que tienen un funcionamiento parecido variando solo en la constitución: para el

MESFET se usa un metal y un semiconductor, para el MOSFET se usa el metal, un óxido (normalmente de Silicio) y el semiconductor. En este trabajo se hablara sobre el JFET ya que los otros se basan en él. Los semiconductores son materiales que pueden funcionar como un aislante o como un conductor bajo ciertas condiciones como la variación de temperatura. En un semiconductor los electrones se encuentran en una banda de niveles permitidos completamente llena (banda de valencia) y por encima existe una banda de energías en donde no hay niveles permitidos, para que los electrones puedan ser acelerados y puedan contribuir a la conducción deben de ser capaces de pasar a niveles de energía más altos, por lo que en los semiconductores existe otra banda de niveles de energía permitidos que normalmente están desocupados (banda de conducción); esta banda se encuentra separada de la banda de valencia por una región en la que normalmente no hay estados electrónicos permitidos (band gap), la diferencia energética entre dichas bandas es muy pequeña, por lo que los electrones de la banda de valencia pasan a la banda de conducción dejando huecos en la banda de valencia; cuando un electrón salta deja un hueco, por lo tanto el electrón inmediato lo ocupa, luego el siguiente electrón salta y así sucesivamente, por lo que la cantidad de huecos en la banda de valencia siempre es la misma que electrones que se encuentran en la capa de conducción, a este tipo de semiconductores se les denomina como “puros”; de igual manera existen semiconductores “impuros” los cuales se encuentran dopados con algún otro elemento dentro de su estructura cristalina, denominados como tipo n y tipo p. El silicio puro es un semiconductor, lo que significa que es mejor conductor de la electricidad que los aislantes pero no tan bueno como los metales. Esto se debe a que un átomo de silicio tiene cuatro

electrones en su capa de valencia, lo que le permite formar enlaces con cuatro de sus vecinos más cercanos, formando un cristal tetraédrico pero dado que todos esos electrones están atrapados en la formación de los enlaces, pocos tienen suficiente energía para escapar. Así que contener un pequeño número de cargas móviles es lo que hace al silicio un semiconductor. Para obtener un semiconductor tipo n, se parte de silicio puro y se añade un elemento con 5 electrones de valencia, como el fósforo. Esto es útil porque al ser un elemento similar, encaja pero aporta un electrón extra lo que implica que ahora el semiconductor tiene más cargas móviles y por lo tanto, conduce la corriente mejor. En el dopaje tipo p, se añade un elemento con sólo 3 electrones de valencia, como el boro. Esto origina un “hueco” donde debería haber un electrón, de igual manera se incrementa la conductividad del silicio porque sus electrones pueden moverse a través de la red. Estos huecos se mueven y actúan como si fuera una carga positiva. Ambos tipos de semiconductores son neutros porque tienen el mismo número de electrones que de protones en su interior, donde la n y p, sólo se refieren al signo de la carga que puede moverse, donde en el tipo n, son los electrones negativos los que pueden moverse, y en el tipo p es un hueco positivo el que se mueve. El transistor bipolar es un dispositivo semiconductor de 3 capas, ya sea de 2 capas de tipo n y una de tipo p denominado npn o puede estar conformado de dos capas de material de tipo p y una de tipo n denominado pnp. El funcionamiento de los transistores de unión bipolar se describirá mediante el transistor npn; el cual se basa en el en el control del paso de la corriente por el campo aplicado a la puerta. Su estructura básica está formada por un semiconductor base de tipo p, con dos contactos óhmicos en sus extremos: denominado “Emisor” y “Colector”, existe un tercer electrodo llamado “puerta” o “base” conformado por dos

regiones tipo n por donde se suministra la corriente eléctrica, de esta manera se forman 2 uniones p-n en la puerta (Imagen 2 ).

Imagen 2. Estructura básica de transistor npn

Los electrones extras en el tipo n del emisor se mueven del hacia los huecos del tipo p generando una capa de cargas negativa en el tipo p la cual actúa como una barrera ya que va a repeler a los demás electrones que provengan del tipo n, al aplicar una diferencia de potencial positiva a través de la puerta, los electrones se atraen hacia la capa negativa logrando sobrepasar la barrera creando un flujo de corriente eléctrica, por lo tanto el emisor debe de ser una región muy dopada para poder aportar electrones a al corriente, mientras que la base tiene que ser muy estrecha y poco dopada para que los electrones provenientes del emisor puedan pasar al colector, la cual tiene que ser poco dopada para dejar pasar a los electrones (Imagen 3).

Imagen 3. Flujo de electrones en transistor npn

Bibliografía Riordan M, Hoddeson L, Herring C., The invention of the

transistor. Rev, Mod Phys, Vol. 71, No. 2, Centenary 1999, PDF disponible en: http://ito.mx/Lndd

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Bleaney, Electricity and magnetism, 2 ed., Oxford 1965, pp 561-563.

Tapia Ortega Fernando Yedra Utrera Mariana Grupo 3 Química del Estado Sólido

Baterías de Litio

Hoy en día, existen diversos tipos de baterías, las cuales, deben ser capaces de

producir y almacenar energía eléctrica a partir de reacciones de óxido reducción,

como función principal. Aunque como sabemos existen baterías de un solo uso y

baterías recargables, las cuales tienen componentes altamente contaminantes. Por

esta razón se han buscado diversas técnicas para mejorar la calidad y eficacia de

las baterías sin que tengan componentes contaminantes y que se puedan recargar.

Una de estas son las baterías de litio, pues el litio es un metal alcalino muy ligero y

por consecuencia con una alta capacidad específica, esto permite que se pueda

obtener la misma energía con un peso bajo, a comparación de las baterías de plomo

y cadmio. También estas baterías de litio presentan una alta densidad de energía

porque los valores de diferencia de potencial que resulta de la reacción redox de

litio metálico con los cátodos de ciertos óxidos de los metales de transición como el

Hierro, es muy superior al de otros sistemas.

¿Cómo funcionan las baterías de litio?

Una batería tiene en su interior una celda electroquímica donde se produce la

energía eléctrica, y esta celda tiene sus 2 electrodos, el electrolito (Li) y el medio

para la circulación de electrones. La siguiente reacción redox nos ilustra lo que se

lleva a cabo dentro de la celda electroquímica:

Li = Li+ + 1e

FePO4 +1e = FePO4-

El oxígeno se encuentra formando redes tipo

hexagonal compacta en las que tiene la

mitad de huecos octaédricos ocupados por

hierro y en menor cantidad, un octavo

aproximado, huecos ocupados por fósforos,

esta es la forma en la que ocurre la reacción,

entre redes hay espacios en las que se

alojan los Li+, estos al acomodarse apenas alteran en sí la estructura.

Tapia Ortega Fernando Yedra Utrera Mariana Grupo 3 Química del Estado Sólido

Al descargarse la batería, el electrolito permite

el paso de los iones de Li+ figuras rosas y

migran hacia la red anfitrión del cátodo, en

este caso, de LiFePO4, acomodándose en los

espacios con vacancias de litio y en algunos

intersticios, de la superficie del material. Y los

electrones fluyen espontáneamente del ánodo

al cátodo a través del circuito eléctrico. Por el

contrario, cuando la batería se carga se genera

una diferencia de potencial, los iones de Li+ se

reducen y se van hacia el ánodo.

Estas baterías de litio tienen la ventaja de que

sus componentes no son contaminantes y que

tienen un excelente comportamiento de

reversibilidad durante el proceso de carga, sin

embargo, una vez que este proceso ya no ocurre

más, la batería ya no se puede seguir recargando.

Bibliografía

(1) Borong Wu, Yonghuan Ren & Ning Li. (2011). LiFePO4 Cathode Material, Electric Vehicles

The Benefits and Barriers, Dr. Seref Soylu (Ed.), ISBN: 978-953-307-287- 6, InTech,

Available from: http://www.intechopen.com/books/electricvehicles-the-benefits-and-

barriers/lifepo4- cathode-material

(2) Jaime Hamel Fonseca. (2011). Celdas, pilas y baterías de ion litio una alternativa para

Journal boliviano de ciencias. Volumen 8 ISSN 2075-8936

(3) Nieves Casañ Pastor y Pedro Gómez Romero. (1996). Baterías de Litio: La alternativa al

plomo y al cadmio. Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, C.S.I.C., Campus U.A.B.,

08193 Bellaterra, Barcelona. Articulo publicado en Investigación y Ciencia (Ciencia y

Empresa).

Imágenes recuperadas de http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Antologia-

QES_34939.pdf

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE QUÍMICA

Química del Estado Sólido

Biopolímeros Guadarrama Rangel Carlos Fabricio, García Sanabria Roberto Uriel

El alto consumo de polímeros sintéticos se ha convertido gradualmente en un problema ambiental como consecuencia de su producción a gran escala y su elevada resistencia a la degradación. Debido a esto, industria e investigadores buscan alternativas para minimizar el impacto ambiental producto de la durabilidad de los polímeros sintéticos y las malas prácticas al desecharlos.

La producción y utilización de biopolímeros como una alternativa más amigable con el medio ambiente, pero con retos para el futuro debido a la viabilidad técnica y económica de su producción. Los biopolímeros se dividen en aquellos basados en recursos renovables y degradables. La biodegradación de plásticos generalmente es un proceso complejo debido al tamaño molecular de los polímeros y a su falta de solubilidad en agua, los microorganismos no son capaces de transportar el material polimérico a sus células donde la mayoría de los procesos bioquímicos tienen lugar. Si bien no hay hasta el momento un consenso sobre la definición exacta de biopolímero, se pueden considerar dos criterios para definir a un material como biopolímero: (1) La fuente de donde proviene su materia prima y (2) su biodegradabilidad. Con base en estos criterios, se tienen tres clasificaciones:

Tipo A: Biopolímeros obtenidos de materiales renovables y que son biodegradables. Tipo B: Biopolímeros obtenidos de materiales renovables pero no biodegradables. Tipo C: Biopolímeros obtenidos de combustibles fósiles y que son biodegradables.

Además de esta clasificación y debido a la necesidad de alternativas, los biopolímeros poseen características similares a la de los polímeros convencionales.

Tabla1.- Propiedades de los biopolímeros

Los materiales de biopolímeros han despertado gran interés debido a sus aplicaciones en diferentes áreas tal como la biomédica, debido a que la relación área de superficie con volumen y su características porosas han mostrado aplicaciones potenciales en muchos aspectos de ingeniería de tejidos, se prefieren los biomateriales hechos de proteínas, polisacáridos y biopolímeros sintéticos. Pero carecen de las propiedades mecánicas y de estabilidad en los ambientes necesarios, la reticulación mejora las propiedades de los biomateriales, pero la mayoría de los reticuladores causan cambios indeseables en la funcionalidad de los biopolímeros o el resultado es la citotoxicidad. Otra de sus aplicaciones es en la industria alimenticia debido a que se utilizan actualmente en recubrimientos de alimentos, materiales de

Termoplásticos Termoestables Elastómeros

Calor Funde No Funde No Funde Disolventes Solubles Insolubles Insolubles, se

hinchan Estructuras Lineales Entrecruzados Poco

entrecruzados Cristalinidad Amorfos o

dristalinos Amorfos Amorfos

Prop. Mecánicas

Rídidos a T‹Tg E≈ 103 MPa

Rídidos, ε≈4% E≈104 MPa

ε≈ 100-1000% E bajos≈ MPa

Procesado Sin reacción química

Con reacción química

Con reacción química

ejemplos PE, PP, PVC, Poliamidas, Poliésteres

Resinas epoxi, resinas fenol-formaldehido

Caucho, Polibutadieno, poliisopropieno

envejecimiento y matices de encapsulación para alimentos funcionales. Proporcionando soluciones únicas mejorando la vida útil del producto y reducir la huella de carbono en general. Lo inherente es la alta rigidez y la dificultad de procesarlos en equipos convencionales son los principales inconvenientes en este tipo de materiales. La naturaleza hidrofílica de la mayoría de los biopolímeros afecta su uso como productos de alta gama, la absorción de la humedad provoca la plastificación de estos. Los biopolímeros renovables también se han utilizado con fines de encapsulación, la encapsulación viene previamente descrita como una tecnología para proteger sustancias sensibles contra las influencias de ambientes adversos. El creciente interés en películas y recubrimientos comestibles que usan biopolímeros se debe a su capacidad para incorporar una gran variedad de ingredientes funcionales plastificantes como el glicerol y acetilato, así como los monogliceridos y el polietilenglicol que se utilizan para modificar las propiedades mecánicas.

Figura 1.- Esquema de aplicaciones de Biopolímeros.

Los materiales más comercialmente viables en envases de alimentos son biodegradables. El reto para estos biopolímeros es mejorar su barrera y sus propiedades térmicas, también tienen un excelente potencial como barrera de gases y aromas. Los principales inconvenientes de estos materiales son su alta rigidez y la dificultad de procesarlos, donde el parámetro más importante a considerar son sus propiedades de barrera. Además, los biopolímeros tienen aplicaciones para el tratamiento de agua, ya que el agua potable es un recurso significativo para el desarrollo. Un biopolímero relativamente nuevo es el quitosán, este biocompuesto muestra un rendimiento superior

en el que fallan muchos polímeros convencionales, es un polímero versátil con aplicaciones en las industrias de tratamiento de agua, se utiliza como floculante y se biodegrada en el medio ambiente durante semanas o meses en lugar de años, eliminando los metales del agua formando quelatos.

A diferencia de los polímeros sintéticos la conformación de un biopolímero se encuentra bien definida y determinada por su estructura primaria, la cual esencialmente es una secuencia lineal no ramificada de monómeros unidos mediante un enlace covalente en los que los grupos funcionales tienen una gran importancia, pues implicará la disposición en la que las cadenas vecinas se agregarán para formar el polímero y las propiedades que este puede tener. Esta forma y estructura específica genera una variación en sus propiedades, por ejemplo, si se forma a partir de monómeros de interacciones dipolares (o la adición de grupos aromáticos o de gran tamaño dentro de la cadena principal) generará biopolímeros de gran rigidez y si se forma a través de monómeros que generan puentes de hidrógeno, el biopolímero tendrá una elevada temperatura de fusión.

Bibliografía Mohan, S., Oluwafemi, O., Kalarikkal, N., Thomas, S., & Songca, S. S.

(2016). Biopolymers - Application in Nanoscience and

Nanotechnology. European Union: INTECH.

Niaonukis, M. (2015). Biopolymers: Applications and trends.

Pensilvania, USA: Elsevier.

Valero-Valdivieso, M. F., Ortegón, Y., & Uscategui, Y. (2013).

Biopolímeros: Avances y perspectivas. Dyna, 171-180.

Tema: Celdas solares orgánicas

alumnos: Castillo Corzas Daniel

Villaneda Labastida Cielo Edmundo Cazares Alvarez

Fenómeno

El Efecto Fotovoltaico (FV) es la base del proceso mediante el cual una célula FV

convierte la luz solar en electricidad. La luz solar está compuesta por fotones, o

partículas energéticas. Estos fotones son de diferentes energías, correspondientes

a las diferentes longitudes de onda del espectro solar. Cuando los fotones inciden

sobre una célula FV. Pueden ser reflejados o absorbidos, pueden pasar a su través.

Únicamente los fotones absorbidos generan electricidad. Cuando un fotón es

absorbido, la energía del fotón se transfiere a un electrón de un átomo de la célula.

Con esta nueva energía, el electrón es capaz de escapar de su posición normal

asociada con un átomo para formar parte de una corriente en un circuito eléctrico.

Las partes más importantes de la célula solar son las capas de semiconductores,

ya que es donde se crea la corriente de electrones. Estos semiconductores son

especialmente tratados para formar dos capas diferentes dopadas (tipo p y tipo n)

para formar un campo eléctrico, positivo en una parte y negativo en otra. Cuando la

luz solar incide en la célula se liberan electrones que pueden ser atrapados por el

campo eléctrico, formando una corriente eléctrica. Es por ello que estas células se

fabrican partir de este tipo de materiales, es decir, materiales que actúan como

aislantes a baja temperatura y como conductores cuando se aumenta la energía.

Justificación Se basa en el efecto fotovoltaico, que es la propiedad que tienen algunos materiales

de producir una corriente eléctrica cuando incide una radiación lumínica sobre ellos

Propiedades químicas y estructurales

Un compuesto orgánico es aquel que está formado principalmente por átomos de

carbono (C) e hidrógeno (H).Los átomos de carbono se unen por enlaces covalentes

que pueden ser de dos diferentes

tipos, sigma (σ) y pi (π). Los primeros

son enlaces sencillos, es decir, solo

intervienen un par de electrones,

mientras que en los enlaces pi pueden

existir un enlace doble o uno triple;

ambos enlaces (σ y π) presentan

diferentes propiedades tanto

estructurales como electrónicas. La

deslocalización de los electrones en la estructura conjugada(Figura 1), confiere al

compuesto propiedades opto-electrónicas. Los compuestos que contienen enlaces

figura 1 Estructura química general de moléculas orgánicas conjugadas.

Tema: Celdas solares orgánicas

alumnos: Castillo Corzas Daniel

Villaneda Labastida Cielo Edmundo Cazares Alvarez

pi conjugados pueden ser de bajo peso molecular (o polímeros) y muestran

propiedades de gran interés en el área de los materiales fotónicos.

Los compuestos orgánicos tienen la versatilidad con la que se pueden realizar

modificaciones estructurales que permiten modular las propiedades deseadas, esto

posibilita de una manera relativamente fácil y rápida la fabricación de películas de

estado sólido con grosores comparables al de un cabello humano (películas

gruesas), o bien, cerca de mil veces más delgadas (películas delgadas). Las

películas se pueden depositar a temperatura ambiente sobre una gran variedad de

sustratos, lo cual es fundamental para la fabricación de los dispositivos fotónicos y

optoelectrónicos plásticos como los OLEDs y las celdas OPVs.

La célula solar está formada por una

delgada lámina de material

semiconductor, normalmente de forma

cuadrada. Las celdas solares orgánicas

se fabrican con materiales como los

polímeros, pequeñas moléculas de

material que se depositan por

evaporación térmica

Aplicaciones Por sus características de ligereza y transparencia, pueden instalarse paneles

solares flexibles en mochilas o la ropa a fin de que alimenten de energía a los

dispositivos móviles que cualquier persona trae consigo. Asimismo, podrían

instalarse en ventanales y paredes que, además de dejar pasar la luz, sirvan para

crear y almacenar la electricidad que consuma un edificio. Otra, puede ser su

instalación en carpas y lonas, para que puedan iluminar el interior. Además, estas

celdas orgánicas permiten construir dispositivos flexibles a menor costo e impactar

en la seguridad ambiental

Bibliografía.

L. HERNÁNDEZ, “EL PROBLEMA ENERGÉTICO EN EL DESARROLLO GLOBAL Y LA ENERGÍA FOTOVOLTAICA”, REVISTAI

BEROAMERICANA DE FÍSICA, VOL. 2, NO. 1, 2006.

H. Spanggaard, “A brief history of the development of organic and polymeric photovoltaic”, Energy

Mat., 2004.

H.M Rosenberg 1975.El estado sólido. Una introducción a la física de los cristales. Madrid, Editorial

Alianza

Tema: Celdas solares orgánicas

alumnos: Castillo Corzas Daniel

Villaneda Labastida Cielo Edmundo Cazares Alvarez

Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química

Celdas solares Rendón Ortega Andrea Valeria, Sevilla Agustín Carlos Uriel

● Introducción

En las últimas décadas la necesidad de encontrar fuentes alternas de energías limpias & renovables ha incrementado conforme las reservas de combustibles fósiles se han agotado. Dentro de las energías alternas, la solar se encuentra en el centro. Las celdas solares basadas en materiales inorgánicos se han mostrado indispensables en las últimas décadas como una alternativa a las energías fósiles sin embargo sus altos costos han prevenido un uso amplio y general de estas. El fenómeno fotovoltaico fue descubierto por Edmond Becquerel al observar que algunos materiales aumentan su conductividad al estar expuestos a la luz solar

● Propiedades químicas &

estructurales

Figura 1. Esquema de un panel solar. [1] La explicación a este fenómeno se debe a la exposición de un semiconductor a la luz, la energía (hν) de los fotones incidentes que excedan el umbral de energía (band gap) es absorbida por los electrones del semiconductor que tienen acceso a un estado de mayor energía, la banda de conducción, empezando a conducir la electricidad.

.Figura 2. Esquema de la interfaz p-n generadora de una

corriente eléctrica en una celda fotovoltaica. [2]

Una celda solar convencional está constituida principalmente de células de silicio, ya que la energía asociada para promover a los electrones a la banda de conducción está en el mismo orden que le energía asociada a los fotones. Sin

embargo, los semiconductores presentan una baja conductividad por lo cual es necesario el uso de dos capas dopadas; una positiva llamada tipo p, con átomos de boro, el cual tiene 3 electrones en la capa de valencia los cuales ayudan a generar “huecos” (producidos por la falta de un electrón en la red de silicio) y una negativa llamada tipo n, con átomos de fósforo adicionados el cual presenta cinco electrones de valencia, de modo que un átomo está rodeado por átomos de silicio y un quinto se encuentra libre para alcanzar con mayor facilidad la banda de conducción. Dichas placas se intercalan para formar una juntura p/n y así aumentar su conductividad pues los electrones serán capaces de moverse de un hueco a otro.

Figura 3. Redes de silicio con ambos tipos de dopaje. [3]

● Ejemplos

- Celdas solares de Silicio mono &

multicristalino. Sin duda son las celdas más producidas industrialmente. Las cuales realizan una mejora de la tensión de circuito abierto, mejora de la corriente de cortocircuito. La principal diferencia entre las celdas monocristalinas & las multicristalinas es que el material con el que se hacen las celdas hasta hecho por procesos más económicos. Por consiguiente el

[1] Figura recuperada de:https://energias-renovables-y-limpias.blogspot.com/2012/12/como-funciona-un-panel-solar-fotovoltaico.html [2] Figura ecuperada de: https://www.scienceinschool.org/es/2012/issue23/solar [3] Figura recuperada de: http://jscucaitam.blogspot.com/2014/10/semiconductores-dopaje-y-conduccion-por.html [4] Figura recuperada de: http://www.estacionespacial.com/componentes.php

1

Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química

inconveniente del mismo es que hay que buscarlo en el tipo & concentración de impurezas indeseadas.

- Celdas solares de Silicio de alto rendimiento

En la actualidad se fabrican estructuras bastante sofisticadas: la superficie frontal se encuentra pasivada por un óxido muy fino & pr una capa antireflejo. La superficie dorsal se encuentra totalmente contactada por el metal posterior.

- Celdas de contactos posteriores

Una solución que optimiza la colección de corriente e realizar los contactos n & p por la superficie dorsal liberando toda la superficie frontal para la recepción de la energía solar. El dispositivo que implementa esta idea se denomina celda solar de contactos puntuales posteriores (BPCC). Su análisis requiere de herramientas numéricas & en muchas ocasiones modelos de dimensiones puesto que los fenómenos producidos son fundamentalmente bidimensionales.

- Celdas solares de compuestos lll-V

Aquí los semiconductores compuestos son conseguidos mediante la mezcla estequiométrica de átomos de los grupos lll & V de la tabla periódica. una parte de los semiconductores tienen el gap directo, lo que repercute en un coeficiente de absorción de alto valor. Esta característica es de gran importancia ya que se precisará poco material semiconductor para hacer celdas solares de rendimientos elevados. Su desventaja es que son caros.

- Celdas solares AlGaAs-GaAs

Siendo una homounión p-n, incorpora una capa ventana de una aleación AlGaAs cuyo principal papel consiste en reducir la velocidad de recombinación en la superficie del GaAs. Una propiedad destacada del GaAs es el elevado valor de movilidad de los electrones, lo que sugiere realizar celdas solares en las que el material fotovoltaicamente activo sea del tipo p.

- Celdas solares de heterounión de

compuestos ll-V, l-lll-Vl2 & derivados La búsqueda de celdas solares de bajo costo ha tenido una importante línea de desarrollo en las soluciones de película delgada de materiales de bajo costo. Las celdas son heterouniones de dos

materiales distintos, por lo que en general habrá un desajuste de la red cristalina en la unión de ambos. Si el desajuste es pequeño, la recombinación se reduce.

● Aplicaciones

Existen diferentes tipos de usos para las celdas solares. Algunos de estos son en productos de gran uso público (calculadoras, relojes, anuncios publicitarios en escaparates, radios portatiles, baterias o lámparas de bolsillo) es decir, objetos de consumo reducido que al estar expuestos a la luz les permite disponer de aparatos sin conexión o ahorrar espacio que ocupan las pilas en un aparato. Otras aplicaciones se encuentran en equipos profesionales, pues un gran número de sectores dependen directamente de este tipo de energía como lo son las telecomunicaciones, seguridad, señalización en carreteras, estaciones meteorológicas y espaciales, iluminación e incluso controles de contaminación. Entre otras aplicaciones se encuentran las centrales solares en las que se produce electricidad para el consumo público, pues en ellas se genera energía suficiente para el consumo moderado de la electricidad doméstica como lo son la iluminación y uso de pequeños electrodomésticos pues un exceso de estos conduce a instalaciones más complicadas y costosas.

Figura 4. Aplicación de paneles solares en la Estación

Espacial Internacional. ● Bibliografía.

- Jean- Paul Braun. 1999, Celdas solares, electricidad luminosa y sus campos de aplicación. Cap. 1,3,4. México, Editorial Trillas.

- Ministerio de educación y ciencia. 2007, Fundamentos, dimensionado y aplicaciones de la energía solar fotovoltaica. Madrid. Editorial CIEMAT.

- M. Mejía, D. Ortega. Celdas solares Orgánicas. México. Facultad de Química. Páginas 7- 8.

[1] Figura recuperada de:https://energias-renovables-y-limpias.blogspot.com/2012/12/como-funciona-un-panel-solar-fotovoltaico.html [2] Figura ecuperada de: https://www.scienceinschool.org/es/2012/issue23/solar [3] Figura recuperada de: http://jscucaitam.blogspot.com/2014/10/semiconductores-dopaje-y-conduccion-por.html [4] Figura recuperada de: http://www.estacionespacial.com/componentes.php

2

Gálvez Jiménez Brenda Guzmán Juárez Oscar

CEMENTO

El cemento es un material inorgánico que funge como un conglomerante hidráulico que, luego de hidratarse, éste

fragua gradualmente de una pasta adhesiva hasta endurecerse. Proviene de tratamientos térmicos de entre 800-

1000 °C para descarbonatar la mezcla, y entre 1300-1500 °C para formar el Clinker del cemento Portland (mezcla

heterogénea en polvo), el cual tiene una composición variada de sustancias impuras como la alita (3CaO·SiO2=C3S en

50-60%), belita (2CaO·SiO2=β-C2S en 20-25 %), 3CaO·Al2O3=C3A entre 5-10 % y 4CaO·SiO2·Fe2O3=C4AF lo que resta de

la mezcla (2-5 %). Es más común conocerlo como una mezcla que como un compuesto.1

• HIDRATACION

La hidratación es un proceso exotérmico, el cual es natural en el cemento y se puede asociar a la rapidez del fraguado.

Cuando se agrega agua al Clinker, se puede dar una hidratación real, donde las moléculas de H2O buscan insertarse

en los huecos de la estructura del cemento; o puede ocurrir una hidrólisis, dando lugar a los productos de hidratación.

Los pasos que se proponen acerca del proceso de hidratación ocurren en el siguiente orden:

𝑖) 𝐶3𝑆 + 𝐻2𝑂 → 3𝐶𝑎2+ + 𝑆𝑖𝑂32− 𝑃𝑟𝑒 − 𝑖𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛

𝑖𝑖) 3𝐶𝑎2+ + 𝑆𝑖𝑂32− → 2𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 + 𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝑆𝑖𝑂2 ∙ 𝐻2𝑂 𝐼𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛

𝑖𝑖𝑖) 2𝐶𝑎(𝑂𝐻)2(𝑎𝑐) + 𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝑆𝑖𝑂2 ∙ 𝐻2𝑂(𝑎𝑐) → 2𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 ↓ +𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝑆𝑖𝑂2 ∙ 𝐻2𝑂 ↓ 𝐻𝑖𝑑𝑟𝑎𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎

𝑖𝑣) 𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝑆𝑖𝑂2 ∙ 𝐻2𝑂 𝐻𝑖𝑑𝑟𝑎𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 (𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎)

El resto de los componentes del cemento también sufren este proceso, pero tiene la característica de que estos

parecen comportarse como si estuvieran de forma individual. Realmente no sé conoce con precisión el mecanismo

de hidratación de los cementos, pero se infiere que pueden ocurrir estas reacciones de forma esquemática:

6𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝑆𝑖𝑂2 + 6𝐻2𝑂 → 𝟑𝑪𝒂𝑶 ∙ 𝑺𝒊𝑶𝟐 ∙ 𝟑𝑯𝟐𝑶 + 𝟑𝑪𝒂(𝑶𝑯)𝟐

4𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝑆𝑖𝑂2 + 4𝐻2𝑂 → 𝟑𝑪𝒂𝑶 ∙ 𝑺𝒊𝑶𝟐 ∙ 𝟑𝑯𝟐𝑶 + 𝑪𝒂(𝑶𝑯)𝟐

3𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝐴𝑙2𝑂3 + 6𝐻2𝑂 → 𝟑𝑪𝒂𝑶 ∙ 𝑨𝒍𝟐𝑶𝟑 ∙ 𝟔𝑯𝟐𝑶

4𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝐴𝑙2𝑂3 ∙ 𝐹𝑒2𝑂3 + 2𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 + 10𝐻2𝑂

→ 𝟑𝑪𝒂𝑶 ∙ 𝑨𝒍𝟐𝑶𝟑 ∙ 𝟔𝑯𝟐𝑶 + 𝟑𝑪𝒂𝑶 ∙ 𝑭𝒆𝟐𝑶𝟑 ∙ 𝟔𝑯𝟐𝑶

Para poder seguir las reacciones de hidratación, se recurre a las técnicas de

análisis y exploración de sólidos como lo son difracción de rayos X sobre la

pasta, análisis termogravimétrico y microscopía electrónica de exploración

(ésta última se usa para obtener la microestructura de la pasta). Aunque

también se usa la determinación de Ca(OH)2, la medición del calor perdido en

el proceso o la determinación de la densidad específica como recursos alternos.

• FRAGUADO

Es un cambio en las características del cemento, de tal manera que la pasta (producto de la hidratación del cemento)

adquiere una mayor consistencia hasta endurecerse por desecación. La composición del cemento afecta

directamente al tiempo de fraguado, así como la resistencia al ambiente resultante y el calor liberado del proceso

cuando los productos de la hidratación reaccionan con sulfatos. El C3S y β-C3S tardan en fraguar, pero adquieren una

resistencia elevada similar; mientras que C3A y C4AF son componentes poco resistentes que fraguan muy rápido.

Cuando ocurre la formación de los aluminatos y silicatos cálcicos hidratados y estos no cristalizan bien, es cuando se

da la formación de un gel, el cual se puede ver como un sistema disperso de naturaleza coloidal y con un parecido al

estado sólido de la materia al haber continuidad en su estructura. Este gel posee varios tipos de huecos donde se

permite las reacciones de hidratación. En la figura 1 se observan los poros y las cavidades capilares del gel que

Gráfica 1. Proceso de hidratación de los

componentes del cemento en el

tiempo. (Neville, Tecnología del

Cemento. Pág. 29)

aumentan el área de contacto de la fase sólida, y esto implica el

consumo del agua absorbida para hidratar al Clinker. A esto se le

conoce como autodesecación. Sin embargo, son procesos que están en

duda por investigadores, por la complejidad y variedad que presentan

las estructuras. 1

El endurecimiento del gel tiene que ver con las propiedades químicas

de los productos hidratados. La insolubilidad de los coloides formados

y de los aluminatos y silicatos hidratados provocan una alta cohesión

de los mismos, dado que existe una atracción física de las superficies

sólidas (interacciones de Van de Waals). Por eso es que también la

naturaleza de los enlaces hace que el gel posea una estructura

reticulada.2

• ESTRUCTURA

Cuando se esta llevando a cabo el endurecimiento de la pasta por la desecación, este comienza a cristalizar en una

mezcla de redes cristalinas por la presencia de todos aquellos componentes resultantes de la hidratación. La

estructura principal del cemento viene dada, en su mayoría, por los silicatos cálcicos y, en menor medida, de los otros

componentes como los aluminatos y óxidos de hierro, calcio, magnesio, además del hidróxido de calcio. Sus

estructuras son las siguientes (de forma individual):

➢ β-C2S: La estructura corresponde con una celda unitaria monoclínica donde los átomos de calcio se ubican

en forma de columnas y que ocupan los huecos tetraédricos alternados.

➢ C3S: Posee dos estructuras, una conocida como “pseudoestructura” donde el enlace entre tetraedros no

existe y la unión se da por tripletes de los átomos de calcio; y la estructura del compuesto puro de la celda

unitaria es triclínica. Existe la posibilidad de encontrar isoestructuramiento con las arcillas.

➢ γ-Al2O3 y γ-Fe2O3: Son casi isoestructurales al poseer encontrarse con un arreglo dado la celda cúbica tipo

espinela defectiva, donde se tienen 16 huecos octaédricos y 8 tetraédricos.

➢ Ca(OH)2, CaO y MgO: Todos presentan una estructura tipo halita o NaCl, aunque el caso del Ca(OH)2 no es

exactamente lo que si ve por el número de átomos y la forma de la fórmula mínima.3

1 Askeland D.R., Fulay P.P. y Wright W.J. (2012) Ciencia e Ingeniería de Materiales. 6ta edición. Cengage Learning. México. pp. 705 y 706. 2 Neville A.M. (2013) Tecnología del Concreto. 4ta edición. Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto. México. pp. 5, 8-13, 17, 18 y 29. 3 H.F.W., Taylor, (1967) La Química de los Cementos Vol. 1, Ediciones Urmo, España, pp. 30-35, 166, 167, 169-171, 173, 184,

185.

Figura 1. Estructura del gel del cemento. Los

poros de gel se encuentran entre las partículas,

mientras que los espacios indicados con “C” son

las cavidades capilares. (Neville, Tecnología del

Cemento. Pág. 17)

Figuras 2, 3 y 4. Estructuras de: β-C2S como una celda monoclínica a la izquierda; C3S como una pseudoestructura en el centro; γ-Al2O3 y γ-

Fe2O3 como una celda espinela en la derecha (H.F.W., Taylor, La Química de los Cementos Vol. 1. Pág. 167,170 y 171)

Cristales líquidos Ríos Ayala Gabriela Los cristales líquidos son sustancias que comparten características de los líquidos y los sólidos. Cuando hablamos de un “cristal” nos referimos a materiales que tienen esa clase de estructura ordenada, pero en un cristal líquido, como en un líquido normal, la posición de las moléculas no es precisamente muy ordenada. Lo que lo hace diferente a un líquido es la forma alargada y delgada de sus moléculas. Aunque la posición de las moléculas sea aleatoria, su orientación puede ser alineada unas con otras en un patrón. Eso es lo que crea la estructura ordenada, como en los sólidos, de un cristal líquido. Presentan al menos una fase intermedia entre la líquida isótropa y la sólida cristalina, en función de la temperatura y/o de la concentración en un determinado disolvente. Dicha fase recibe también el nombre de mesofase, por ello al cristal líquido se le denomina mesógeno. Las moléculas de materiales mesógenos suelen tener una geometría determinada que facilita el empaquetamiento molecular en dichas fases anisótropas. Según como se ordenen dichas moléculas, se pueden clasificar tres tipos de cristales líquidos: nemáticos, esmécticos y colestéricos La mayoría de éstos cristales líquidos responden fácilmente a los campos eléctricos y así exhiben distintas propiedades ópticas según la presencia o ausencia del campo. Historia de los cristales líquidos En 1889, el físico alemán Otto Lehmann descubrió que, en la fase opaca, el benzoato de colesteril presentaba zonas de estructura molecular cristalina. Fue éste quien los denominó «cristales líquidos». Posteriormente, en 1904, la compañía Merck ofreció a Lehmann las primeras sustancias con propiedades de líquido cristalino en alta pureza. En los años 20 ya estaban aceptados en la comunidad científica y se establecieron los tres tipos de cristales líquidos (nemáticos, esmécticos y colestéricos). Sin embargo, en los años 30 el interés por los cristales líquidos decayó porque no se encontraban posibles usos tecnológicos para estas sustancias. En los 60 regresan los cristales líquidos y comienzan a emplearse como indicador de la temperatura, en termografía y medicina, para más tarde utilizarse también en moda y cosmética. Así, en 1968, Merck inicia las investigaciones en cristales líquidos para comprobar su aplicación técnica en monitores. En 1980 desarrolló el VIP Display, el ‘panel independiente de visión’, las bases de todas las matrices activas de las pantallas planas LCD. En 2003, Merck ganó el Premio Alemán del Futuro por la tecnología de Cristales Líquidos que hizo posible las televisiones de pantalla plana. Aplicaciones de los cristales líquidos

● En medicina: Una de las primeras aplicaciones de los cristales líquidos fue en medicina, como herramienta analítica para medir las variaciones de temperatura. Desde entonces tienen aplicación en las ciencias de la salud, gracias a sus propiedades y características, tanto físicas como químicas. Así son útiles en termometría oral y cutánea, ginecología, neurología, oncología y pediatría, entre otros.

● En tecnología: En el desarrollo de monitores, debido a la aplicación de estos para la fabricación de pantallas, que nos permiten visualizar la información que los ordenadores nos suministran. Pero, además de ser útiles en ordenadores, las pantallas se montan en otros dispositivos como equipos de audio, electrodomésticos y equipamiento del automóvil, entre otros. Las pantallas de cristal líquido han supuesto un papel fundamental en este desarrollo y parece que tomarán un papel aún más importante en el futuro.

● Otras aplicaciones: Los cristales líquidos también se emplean en materiales fotovoltaicos (para simplificar los procesos y fijar las células solares de manera más eficiente respetando el medio ambiente); en materiales semiconductores para células solares (las células solares hechas de plástico conductor se distinguen de los fotovoltaicos orgánicos (OPV): no sólo son más baratos y luminosos, sino que también son más flexibles y versátiles que sus predecesores de silicona); y en materiales de seguridad e identificación (polímeros conductivos imprimibles para la fabricación de chips de RFID. Tipos de cristales líquidos Existen dos tipos de cristales líquidos. Primero tenemos a los cristales líquidos termótropos, cuyo diagrama de fases depende únicamente de la temperatura. Por otro lado, los cristales líquidos liótropos, donde además de la temperatura, la concentración del compuesto en un disolvente (normalmente agua) hace variar el diagrama de fases. Dentro de los termótropos, los más comunes tienen geometrías moleculares con núcleos rígidos alargados (cristales líquidos calamíticos) y en forma de disco (cristales líquidos discóticos). En el caso de los cristales líquidos liótropos, las moléculas constituyentes suelen ser anfifílicas, con un grupo polar que se disuelve en agua y una cadena apolar hidrófoba. Muchas moléculas orgánicas son cristales líquidos liótropos y, por ejemplo, las membranas celulares tienen un empaquetamiento molecular propio de una mesofase liótropa. Mesofases La mesofase calamítica más sencilla es la nemática (N), donde las moléculas no tienenorden posicional, pero se orientan en la misma dirección. Dicha dirección viene definida por el denominado vector director, n. Aumentando el grado de orden podemos tener mesofases esmécticas (Sm), donde las moléculas se distribuyen en planos (planos esmécticos o capas esmécticas). En cada uno de estos planos el orden local es nemático. Si las moléculas se disponen perpendicularmente a las capas, la mesofase es la esméctica A (SmA), si están inclinadas tenemos la fase esméctica C (SmC). En cuanto a las mesofases discóticas, las más comunes son la nemática (ND), y las fases columnares, tanto hexagonales (Ch) como rectangulares (Cr), dependiendo de la forma de la celda unidad. Las mesofases liótropas más comunes son la esméctica A intercalada, como ocurre en las membranas celulares, o las de tipo micela, típica de las dispersiones coloidales.

Bibliografía

● https://grpfm.upc.edu/es/investigacion/cristales-liquidos

● http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Seminario:Cristalesliquidos_27627.pdf

● Johnson J., Griffin A. Liquid Cristal and Orderd Fluids. Volume 4. Plenum Press. New York-London. 1973. Pág: 4-9, 12-15