Dr. Arnoldo Bautista Corral...a Marte, una capa de 18 mm de aerogel podría aislar a un astronauta a...
16
Ciencia y Tecnología Solo para Ingenieros Dr. Arnoldo Bautista Corral Palacio de Minería, Tacuba No.5, Centro, Ciudad de México, Distrito Federal, C.P. 06000 http://www.academiapanamericanaingenieria.org [email protected] Sólo para ingenieros (131): Súpermateriales, Parte I… 23/02/13 Clasificación: Ingeniería de materiales Estimados colegas y amigos, Dentro de la información que varios colegas nos hicieron llegar, relacionada con materiales autorreparables, repetidamente se menciona el desarrollo de nuevos extraños y portentosos materiales. Aprovechando esta información, vale la pena realizar una breve atisbo a algunos de ellos y revisar sus propiedades más sobresalientes, pues sin duda, son, o van a ser, elementos clave en el quehacer de la ingeniería de hoy y del futuro. A estos extraordinarios materiales les denominaremos ‘supermateriales’. Estos materiales son relativamente numerosos, por lo que nos tomara dos o tres envíos revisar una decena de ellos; veamos los primeros… Humo sólido (aerogel) El llamado humo sólido, humo helado, humo azul o aerogel es de origen coloidal* y se obtiene al eliminar todo el líquido de un gel (proveniente del sílice o carbono) y en su lugar se inyecta gas, obteniendo como resultado un sólido de muy baja densidad (3 mg/cm3 o 3 kg/m3) y altamente poroso, con ciertas propiedades muy sorprendentes, como su enorme capacidad de aislante térmico. De hecho, el 99.8 % de su masa es aire y es mil veces menos denso que el vidrio y unas tres veces mas denso que el mismo aire. Debido a esto es semitransparente y tiene al tacto una consistencia similar a la espuma de poliestireno. Este material posee un índice de refracción de 1.0, muy bajo para un sólido. La velocidad del sonido a través de el es muy baja, 100 m/s. *Nota 1: Un coloide es un sistema formado por dos o mas fases, principalmente: una continua, normalmente fluida, y otra dispersa en forma de partículas; por lo general sólidas. Por lo anterior, soporta mas de mil veces su propio peso y, como se comentó, es uno de los mejores aislantes térmicos conocidos (resiste hasta unos 1,300 grados Celsius); seguramente pronto también lo veremos comercialmente disponible como aislante acústico.
Transcript of Dr. Arnoldo Bautista Corral...a Marte, una capa de 18 mm de aerogel podría aislar a un astronauta a...
Ciencia y Tecnología Solo para Ingenieros
Dr. Arnoldo Bautista Corral
Palacio de Minería, Tacuba No.5, Centro, Ciudad de México, Distrito Federal, C.P. 06000 http://www.academiapanamericanaingenieria.org
Sólo para ingenieros (131): Súpermateriales, Parte I… 23/02/13 Clasificación: Ingeniería de materiales Estimados colegas y amigos, Dentro de la información que varios colegas nos hicieron llegar, relacionada con materiales autorreparables, repetidamente se menciona el desarrollo de nuevos extraños y portentosos materiales. Aprovechando esta información, vale la pena realizar una breve atisbo a algunos de ellos y revisar sus propiedades más sobresalientes, pues sin duda, son, o van a ser, elementos clave en el quehacer de la ingeniería de hoy y del futuro. A estos extraordinarios materiales les denominaremos ‘supermateriales’. Estos materiales son relativamente numerosos, por lo que nos tomara dos o tres envíos revisar una decena de ellos; veamos los primeros… Humo sólido (aerogel) El llamado humo sólido, humo helado, humo azul o aerogel es de origen coloidal* y se obtiene al eliminar todo el líquido de un gel (proveniente del sílice o carbono) y en su lugar se inyecta gas, obteniendo como resultado un sólido de muy baja densidad (3 mg/cm3 o 3 kg/m3) y altamente poroso, con ciertas propiedades muy sorprendentes, como su enorme capacidad de aislante térmico. De hecho, el 99.8 % de su masa es aire y es mil veces menos denso que el vidrio y unas tres veces mas denso que el mismo aire. Debido a esto es semitransparente y tiene al tacto una consistencia similar a la espuma de poliestireno. Este material posee un índice de refracción de 1.0, muy bajo para un sólido. La velocidad del sonido a través de el es muy baja, 100 m/s.
*Nota 1: Un coloide es un sistema formado por dos o mas fases, principalmente: una continua, normalmente fluida, y otra dispersa en forma de partículas; por lo general sólidas.
Por lo anterior, soporta mas de mil veces su propio peso y, como se comentó, es uno de los mejores aislantes térmicos conocidos (resiste hasta unos 1,300 grados Celsius); seguramente pronto también lo veremos comercialmente disponible como aislante acústico.
Ciencia y Tecnología Solo para Ingenieros
Dr. Arnoldo Bautista Corral
Palacio de Minería, Tacuba No.5, Centro, Ciudad de México, Distrito Federal, C.P. 06000 http://www.academiapanamericanaingenieria.org
Lo sorprendente es que fue inventado en 1931 y hasta el día de hoy, son relativamente pocas sus aplicaciones. El uso práctico más importante fue seguramente el que le dio la NASA, como aislante térmico en el Mars Rover y como "captador de polvo" en naves aeroespaciales, ya que su estructura microscópica se asemeja a la de una esponja; pero también funciona, por la misma propiedad, como desalinizador del mar. Sus propiedades son tan variadas que también se lo ha utilizado desde la fabricación de ropa hasta para detectar partículas subatómicas y como supercapacitor.
Ahora, se planea utilizar una nueva versión mejorada del aerogel; en el año 2018, para la primera misión tripulada a Marte, una capa de 18 mm de aerogel podría aislar a un astronauta a temperaturas tan bajas como -130 grados Celsius.
También se investiga la posibilidad de usarlo como chaleco antibalas o para absorber el petróleo derramado en los accidentes marítimos.
Ciencia y Tecnología Solo para Ingenieros
Dr. Arnoldo Bautista Corral
Palacio de Minería, Tacuba No.5, Centro, Ciudad de México, Distrito Federal, C.P. 06000 http://www.academiapanamericanaingenieria.org
Espuma metálica La espuma metálica es un estructura celular formada de un metal solidó, frecuentemente aluminio, el cual contiene una fracción muy grande de su volumen integrada por poros rellenos un gas, generalmente también de un derivado de aluminio.
Los poros puede ser sellados (espuma de células-cerradas)
Ciencia y Tecnología Solo para Ingenieros
Dr. Arnoldo Bautista Corral
Palacio de Minería, Tacuba No.5, Centro, Ciudad de México, Distrito Federal, C.P. 06000 http://www.academiapanamericanaingenieria.org
o pueden formar una red interconectada (espuma de células-abiertas).
La característica principal que identifica a las espumas metálicas es una muy alta porosidad: típicamente 75-95% de su volumen consiste en espacios huecos convirtiéndoles con ello, en materiales ultraligeros, los cuales se caracterizan por ser al mismo tiempo muy resistentes y muy livianos. La resistencia de la espuma metálica obedece la ley de potencias con relación a su densidad; por ejemplo, un material con una densidad de 20% es más del doble de fuerte que un material con una densidad del 10%. La espuma metálica puede producirse por inyección directa de gas o por la adición de agentes espumantes al aluminio fundido. Indirectamente, puede obtenerse llevando a fusión los componentes procesados por sinterizado** con un agente espumante. Puede también conseguirse la espumación de piezas sinterizadas en estado sólido mediante la espumación de un gas inerte por medio de un tratamiento térmico. Adicionalmente puede obtenerse por electrodeposición*** o por deposición en fase vapor. ** Nota 2: La sinterización es el tratamiento térmico de un polvo o compactado metálico o cerámico a una temperatura inferior a la de fusión de la mezcla, para incrementar la fuerza y la resistencia de la pieza creando enlaces fuertes entre las partículas. *** Nota 3: La electrodeposición, o galvanoplastia, es un proceso electroquímico de chapado donde los cationes metálicos contenidos en una solución acuosa se depositan en una capa sobre un objeto conductor.
Ciencia y Tecnología Solo para Ingenieros
Dr. Arnoldo Bautista Corral
Palacio de Minería, Tacuba No.5, Centro, Ciudad de México, Distrito Federal, C.P. 06000 http://www.academiapanamericanaingenieria.org
Debido a sus características únicas, las espumas metálicas han suscitado un gran interés en varios campos tecnológicos. Estas, combinan algunas virtudes de los metales, con las ventajas estructurales de las espumas. De esta forma tenemos un material con alta rigidez especifica, un peso específico muy bajo y buenas propiedades de absorción de energía, lo cual lo convierten en un candidato para amplísimas aplicaciones que podrían ir desde calzado deportivo, embalajes y envases, hasta prótesis ortopédicas.
También se utiliza en algunas partes de los motores automotrices, como filtros o como sustituto del acero donde se requiera bajar el peso (por ejemplo para autos de carreras).
Por otra parte, sus propiedades de transferencia de calor permiten que sean empleados para enfriar equipos electrónicos y actuar como intercambiadores de calor.
Ciencia y Tecnología Solo para Ingenieros
Dr. Arnoldo Bautista Corral
Palacio de Minería, Tacuba No.5, Centro, Ciudad de México, Distrito Federal, C.P. 06000 http://www.academiapanamericanaingenieria.org
Aprovechando la conductividad eléctrica de la espuma metálica se usa en cantidades significantes como cátodos en baterías híbridas níquel-metal (NiMH), las cuales son dispositivos del estado del arte para aplicaciones en vehículos eléctricos o híbridos.
Recientemente estos materiales están siendo utilizados también como materia prima para elaborar obras de arte y arquitectónicas.
Ciencia y Tecnología Solo para Ingenieros
Dr. Arnoldo Bautista Corral
Palacio de Minería, Tacuba No.5, Centro, Ciudad de México, Distrito Federal, C.P. 06000 http://www.academiapanamericanaingenieria.org
Ferrofluidos Un ferrofluido es un líquido que se polariza en presencia de un campo magnético. Los ferrofluidos se componen de partículas ferromagnéticas suspendidas en un fluido portador, que comúnmente es un solvente orgánico o agua.
Las nanopartículas ferromagnéticas están recubiertas de un surfactante**** para prevenir su aglomeración a causa de las fuerzas magnéticas y de las de van der Waals. Los ferrofluidos, a pesar de su nombre, no muestran ferromagnetismo, pues no retienen su magnetización en ausencia de un campo aplicado de manera externa. ****Nota 4. Surfactante: producto químico que reduce la tensión superficial de los líquidos, facilitando la acción de un detergente.
Ciencia y Tecnología Solo para Ingenieros
Dr. Arnoldo Bautista Corral
Palacio de Minería, Tacuba No.5, Centro, Ciudad de México, Distrito Federal, C.P. 06000 http://www.academiapanamericanaingenieria.org
Por el contrario, los ferrofluidos muestran paramagnetismo, es decir, son materiales atraídos por imanes, pero no se convierten en materiales permanentemente magnetizados. De hecho, normalmente se identifican como "superparamagnéticos" precisamente por su gran susceptibilidad magnética. Un auténtico fluido ferromagnético es difícil de crear en la actualidad, requiriendo elevadas temperaturas y levitación electromagnética para ello.
Los ferrofluidos se componen de partículas ferromagnéticas microscópicas, normalmente magnetita, hematita o algún otro compuesto con contenido de Fe2+ o Fe3+.
Ciencia y Tecnología Solo para Ingenieros
Dr. Arnoldo Bautista Corral
Palacio de Minería, Tacuba No.5, Centro, Ciudad de México, Distrito Federal, C.P. 06000 http://www.academiapanamericanaingenieria.org
Las nanopartículas típicamente son del orden de 10 nm. Esto es lo suficientemente pequeño para que la agitación térmica las distribuya uniformemente dentro del fluido portador, así como para contribuir a la respuesta magnética general del fluido.
Un verdadero ferrofluido es estable; esto significa que las partículas sólidas no se aglomeran o separan en fase, aun bajo la influencia de campos magnéticos muy intensos. Sin embargo, el surfactante tiende a descomponerse al paso del tiempo (algunos años) y eventualmente las nanopartículas se aglomeran y separan, dejando de contribuir a la respuesta magnética del fluido. Los ferrofluidos suelen utilizarse en altavoces para disipar el calor entre la bobina y el imán, asi como amortiguar pasivamente el movimiento del cono. Residen en lo que normalmente seria el hueco alrededor de la bobina, siendo mantenidos en posición por el imán del altavoz. Ya que los ferrofluidos son paramagnéticos, obedecen la
Ciencia y Tecnología Solo para Ingenieros
Dr. Arnoldo Bautista Corral
Palacio de Minería, Tacuba No.5, Centro, Ciudad de México, Distrito Federal, C.P. 06000 http://www.academiapanamericanaingenieria.org
ley de Curie, reduciéndose su magnetismo al elevarse la temperatura. Un imán de gran potencia que se coloque cerca de la bobina (que produce calor) tendera a atraer el ferrofluido frío con mas intensidad que el caliente, forzando el movimiento del fluido caliente hacia el elemento de disipación térmica. Esto constituye un eficiente método de enfriamiento que no requiere aportación energética adicional.
Adicionalmente en las unidades motrices de estos transductores electroacústicos se aplica el ferrofluido en el entrehierro para aumentar la densidad de flujo magnético en la bobina móvil (factor BL), ayudar a centrar la bobina móvil, amortiguar resonancias y conseguir una distribución térmica uniforme.
De manera similar, los ferrofluidos se emplean para formar sellos líquidos que rodean las flechas giratorias de los discos duros. También poseen propiedades reductoras de la fricción. Si se aplican a la superficie de un imán de gran potencia, tal como los fabricados en neodimio, el imán podrá deslizarse sobre superficies lisas con un mínimo de resistencia.
Ciencia y Tecnología Solo para Ingenieros
Dr. Arnoldo Bautista Corral
Palacio de Minería, Tacuba No.5, Centro, Ciudad de México, Distrito Federal, C.P. 06000 http://www.academiapanamericanaingenieria.org
Hay otras aplicaciones en diferentes áreas tales como la industrial, la aeronáutica, la aeroespacial, la medicina, la automotriz, así como en procesos de medición y trasferencia de calor. Veamos algunos ejemplos: La compañía ‘Matsushita Electric Industry’ produjo una impresora capaz de imprimir 5 paginas por minuto, utilizando tinta de ferrofluido.
Estados Unidos introdujo un pintura absorbente de radar hecha de substancias ferrofluidas y no magnéticas. El material contribuye a reducir la sección cruzada de radar de los aviones, reduciendo la reflexión de ondas electromagnéticas.
Ciencia y Tecnología Solo para Ingenieros
Dr. Arnoldo Bautista Corral
Palacio de Minería, Tacuba No.5, Centro, Ciudad de México, Distrito Federal, C.P. 06000 http://www.academiapanamericanaingenieria.org
La NASA ha experimentado con el uso de ferrofluidos en un bucle cerrado como el corazón de un sistema de control de nivel para vehículos espaciales. Se aplica un campo magnético a un bucle de ferrofluido para cambiar el momento angular e influir en la rotación del vehiculo.
Ciencia y Tecnología Solo para Ingenieros
Dr. Arnoldo Bautista Corral
Palacio de Minería, Tacuba No.5, Centro, Ciudad de México, Distrito Federal, C.P. 06000 http://www.academiapanamericanaingenieria.org
En medicina, un ferrofluido compatible puede emplearse para detección de cáncer. También se utiliza como agente contrastante en las resonancias magnéticas.
Ciencia y Tecnología Solo para Ingenieros
Dr. Arnoldo Bautista Corral
Palacio de Minería, Tacuba No.5, Centro, Ciudad de México, Distrito Federal, C.P. 06000 http://www.academiapanamericanaingenieria.org
Los amortiguadores de la suspensión de un vehiculo pueden llenarse con ferrofluido en lugar de aceite convencional, rodeando todo el dispositivo con un electroimán, permitiendo que la viscosidad del fluido (y por ende la cantidad de amortiguamiento proporcionada por el amortiguador) puedan ser variadas de acuerdo a preferencias del conductor o la cantidad de peso que lleva el vehiculo; incluso puede variarse de manera dinámica para proporcionar control de estabilidad. El sistema de suspensión activa MagneRide es un sistema que permite de esta manera alterar el factor de amortiguación en respuesta a las condiciones.
Ciencia y Tecnología Solo para Ingenieros
Dr. Arnoldo Bautista Corral
Palacio de Minería, Tacuba No.5, Centro, Ciudad de México, Distrito Federal, C.P. 06000 http://www.academiapanamericanaingenieria.org
Los ferrofluidos tienen también numerosas aplicaciones en óptica por sus propiedades refractivas; esto debido a que cada partícula micromagnética refleja luz. Estas aplicaciones incluyen la medición de la viscosidad específica de un liquido colocado entre un polarizador y un analizador, iluminados por un láser de helio-neón.
Al imponer un campo magnético a un ferrofluido de susceptibilidad variable, tal como puede presentarse debido a un gradiente de temperatura, se obtiene una fuerza magnética no uniforme, que permite una forma de transferencia térmica llamada convención termomagnética (conversión directa de diferencias de temperatura a voltaje eléctrico o viceversa). Esta forma de transferencia es útil cuando el uso de convección convencional es inadecuado; por ejemplo, en dispositivos a microescala o bajo condiciones de gravedad reducida.
A continuación una bonita demostración de generación de ferrofluidos. ¿Una escultura dinámica? http://www.youtube.com/watch?v=d44LW6KZ_iU&feature=player_embedded#at=122 Fuentes: http://www.aerogel.org/?p=3
Ciencia y Tecnología Solo para Ingenieros
Dr. Arnoldo Bautista Corral
Palacio de Minería, Tacuba No.5, Centro, Ciudad de México, Distrito Federal, C.P. 06000 http://www.academiapanamericanaingenieria.org
http://sbir.gsfc.nasa.gov/SBIR/successes/ss/10-017text.html http://en.wikipedia.org/wiki/Superhard_material http://zonaforo.meristation.com/foros/viewtopic.php?p=22139342 http://es.wikipedia.org/wiki/Espumas_met%C3%A1licas http://www.gat-mbh.de/index.php?page=anwendungen-fr http://www.ims.demokritos.gr/ims_topic.php?lang=en&ergo=g103&topic=10&PHPSESSID=cb1955fa3de0d2481b01d25b9193418f http://www.actimat.es/web/magnetoreologicos.asp http://en.wikipedia.org/wiki/Ferrofluid http://www.ferrotec.com/products/ferrofluid/audio/ http://www.google.com.mx/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=0CD4QFjAB&url=http%3A%2F%2Fciteseerx.ist.psu.edu%2Fviewdoc%2Fdownload%3Fdoi%3D10.1.1.116.1212%26rep%3Drep1%26type%3Dpdf&ei=jLQlUbnUE-fZ2QW3tYHoCA&usg=AFQjCNH7D7NASVTuAc7DbwgWbMn7Mdvqlw&bvm=bv.42661473,d.b2I http://nipponpower.com.mx/foro/showthread.php?121533-Super-materiales-los-veremos-en-los-autos ¡Espero que haya sido de su interés y disfrute la información enviada por varios colegas! Agradezco las contribuciones y opiniones enviadas. No. de ingenieros en la lista de distribución: 630 No. de envío: 131 Bienvenidos comentarios sobre los envíos. Nota: Este correo no tiene acentos Deseando tengan un excelente fin de semana, les envío un fuerte abrazo. Arnoldo Comentarios sobre el envío 130: Materiales autorreparables... _____________
El 16/02/13 9:22, VARGAS, JUAN escribió: Arnoldo, Tus artículos son excepcionalmente claros y bien escritos. Creo que deberías considerar difundirlos mas allá de un grupo reducido de ingenieros, quizá en un 'blog' facebook, o incluso aun más allá. Si lo hicieras, no solo individuos sino organizaciones leerían lo que escribes. Creo que muchas escuelas de ingeniería en lugares de habla hispana se subscribirían a tu pagina para que los profesores comenten con estudiantes (futuros ingenieros) tus artículos en clase o en línea. Lalo Vargas
