Dr. Arnoldo Bautista...

Ciencia y Tecnología Solo para Ingenieros

Dr. Arnoldo Bautista Corral

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Sólo para ingenieros (132): Supermateriales, Parte II… 01/03/13 Clasificación: Ingeniería de materiales Estimados colegas y amigos, Iniciamos este envío recordando que la Ingeniería de Materiales es una rama de la ingeniería que se fundamenta en las relaciones propiedades-estructura y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades. Esta ingeniería esta muy relacionada con la mecánica y la manufactura. Los objetivos del Ingeniero de Materiales son dominar al máximo nivel las técnicas avanzadas de producción y transformación de los materiales y ser capaz de contribuir al desarrollo de materiales nuevos y de nuevos procesos de producción. En el mundo cambiante de las nuevas tecnologías del siglo XXI, el Ingeniero de Materiales va a ser un agente imprescindible en la selección de materiales para todas las áreas de la ingeniería y en particular en el mundo del diseño. En el presente envío continuamos con la revisión de otros “Supermateriales” cuya información amablemente han enviado varios colegas. Veamos… Aleaciones con Memoria de Forma La mayoría de los materiales con lo que están fabricados muchos productos de uso común, y que utilizamos todos los días, tiene propiedades que permanecen mas o menos constante durante su vida útil. Los materiales ‘inteligentes’ son diferentes. Ellos responden a factores externos, tales como diferencias en los niveles de luz o temperatura del medio ambiente, y ante la modificación de estos niveles, cambian de alguna manera. De ahí que se les llame ‘inteligentes’, porque parece que lo son y aparentemente toman decisiones propias ante condiciones diferentes. Este tipo de materiales están siendo aplicados en muchos productos que usted conoce y ha utilizado. Algunos ejemplos incluyen lentes para proteger del sol (lentes oscuros) los cuales se obscurecen a medida que la intensidad de luz se incrementa o termómetros de barra cuyo color cambia para indicar la temperatura. También se están utilizando para fabricar ropa especial que cambia sus características con el medio ambiente o con las condiciones del cuerpo.

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En particular las ‘Aleaciones con Memoria de Forma’ (SMA por sus siglas en ingles –Shape Memory Alloy) son uno de estos ‘materiales inteligentes’, las cuales, como su nombre lo sugiere, tiene memoria. El SMA mas común es una aleación de níquel y titanio –denominado nititnol. A través de un tratamiento térmico especial, un pieza de SMA puede ‘recordar’ una forma. Por ejemplo, se puede hacer que un pedazo de alambre permanezca enhiesto a temperaturas arriba de 70 grados Centígrados. Si se dobla este alambre a temperatura normal para darle la forma de un clip, permanecerá doblado y continuara actuando como clip. Sin embargo, si usted lo introduce en un vaso de agua cuya temperatura este arriba de 70 grados centígrados, inmediatamente se enderezará. Cuando se enfría, permanecerá derecho hasta que sea doblado nuevamente.

La ventaja del SMA es el hecho que provee gran cantidad de fuerza y movimiento a una temperatura precisa. Es también posible pre-formar el SMA con diferentes estructuras, por ejemplo, como un resorte o como una placa delgada. Utilizando estas propiedades el material tipo SMA se utiliza para proporcionar un movimiento mecánico cuando se alcanza cierta temperatura. Algunas aplicaciones incluyen: stents vasculares para reparar obstrucciones en arterias/venas y mejorar el flujo de sangre, evitando infartos;

sellos para tubería hidráulica (cuando se reduce un troncal); conectores eléctricos; sistemas de alarma de fuego en el dispositivo para accionar el aspersor o para accionar una puerta o compuerta cortafuegos;






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en unidades de cocción acciona una válvula a cierta temperatura y deja salir el vapor en exceso hacia el exterior;

se utiliza para abrir una válvula para que caiga el agua caliente en el café en las cafeteras modernas;

en unidades de aire acondicionado accionan las persianas o aletas para dirigir el movimiento del aire;






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en unidades de regaderas para baño se utiliza para controlar las válvulas del agua caliente;

y en arquitectura se están utilizando para integrar las estructuras mas impresionantes que usted haya visto.






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Plasma Se denomina plasma al cuarto estado de agregación de la materia*, un estado fluido similar al estado gaseoso, pero en el que determinada proporción de sus partículas están cargadas eléctricamente (electrones negativos y iones positivos libres) y no poseen equilibrio electromagnético; por lo anterior es un buen conductor eléctrico y sus partículas responden fuertemente a las interacciones electromagnéticas de largo alcance. * Nota 1. Si recuerdan cuando estudiamos secundaria (allá por los años sesentas) nos enseñaban que había tres estados o formas de agregación de la materia: sólida, liquida y gaseosa. A medida que avanzó el conocimiento de la física se integró un cuarto, el estado plásmido y luego un quinto, el condensado de Bose-Einstein. Según la omnisapiente Wikipedia ahora también se consideran: el condesando de Fermi así como los supersólidos; y están en línea de espera, para ser incluidos otros posibles estados, como los superfluidos, la materia degenerada, la materia fuertemente simétrica, la materia débilmente simétrica, la materia extraña o materia de quarks y los superfluidos polaritón. El plasma presenta características propias que no se dan en los sólidos, líquidos o gases. Como el gas, el plasma no tiene una forma definida o volumen definido a no ser que este encerrado en un contenedor; pero a diferencia del gas, en el que no existen efectos colectivos importantes, el plasma bajo la influencia de un campo magnético puede formar estructuras como filamentos, rayos y capas dobles. Los átomos de este estado se mueven libremente; cuanto más alta es la temperatura mas rápido se mueven en el gas, y en el momento de colisionar, la velocidad es tan alta que se produce un desprendimiento de electrones. Así pues calentar un gas a cierta temperatura y presión puede ionizar sus moléculas o átomos y convertirlo en un plasma. La ionización también puede ser inducida por otros medios, como la aplicación de un fuerte campo electromagnético mediante un láser o un generador de microondas, y es acompañado por la disociación de los enlaces covalentes, si están presentes. El plasma es el estado de agregación mas abundante de la naturaleza. Por ejemplo, los rayos y relámpagos son un plasma que alcanza una temperatura de 27,000 grados Centígrados. La mayor parte de la materia en el Universo visible se encuentra en estado de plasma. De hecho, la mayor parte está en el enrarecido plasma intergaláctico (particularmente el medio del intracluster) y en las estrellas.

El plasma tiene aplicaciones importantes. El primer ejemplo y mas el común son las lámparas fluorescentes. Estan formadas por un tubo que contiene mercurio y un gas inerte, que es generalmente argón.






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Otra aplicación ya común es la televisión por plasma. Estas pantallas se basan en el principio de que haciendo pasar alto voltaje por un gas a baja presión, este se ioniza. El gas en estado de plasma reacciona con el fósforo de cada subpixel para producir luz (roja, verde o azul) la cual es manipulada electrónicamente para producir la imagen.

El plasma también tiene muchas aplicaciones en la medicina. Estas aplicaciones se podrían clasificar en tres principales campos: a) modificación de superficies de biopolímeros (por ejemplo en lentes de contacto) para prevenir ataques bacteriales; b) bio-descontaminación/esterilización; y c) aplicación directa para fines terapéuticos, por ejemplo en el tratamiento del cáncer usando fibras ópticas;

Fullerenos






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El fullereno (también se escribe fulereno) es la tercera forma molecular más estable del carbono, tras el grafito y el diamante. El hallazgo casual del fullereno en 1985, se produjo al irradiar un disco de grafito con un láser y mezclar el vapor de carbono resultante mediante una corriente de helio. Cuando se examinó el residuo cristalizado, se encontraron moléculas constituidas por 60 átomos de carbono.

Estas moléculas tenían una forma semejante a la cúpula geodésica construida con motivo de una Exposición Universal en Montreal en 1967 por el arquitecto Buckminster Fuller, por lo que fueron nombradas como Buckminsterfullerenos o mas comúnmente como fullerenos o fulerenos. Es el primer material conocido por la humanidad capaz, en teoría, de sustentar indefinidamente su propio peso suspendido sobre nuestro planeta. Su naturaleza y forma se han hecho ampliamente conocidas en la ciencia y en la sociedad en general, por sus características físicas, químicas, matemáticas y estéticas. Se destaca tanto por su versatilidad para la síntesis de nuevos compuestos como por la armonía de la configuración paradigmática de las moléculas con hexágonos y pentágonos, en lo que se conoce como exapentas: el icosaedro truncado y los cuerpos geométricos semejantes, con mayor numero de caras.

Los fullerenos se presentan en forma de esferas, elipsoides o cilindros. Los fullerenos esféricos reciben a menudo el nombre de buckyesferas y los cilíndricos el de buckytubos o nanotubos que es una de sus aplicaciones más extraordinarias. El descubrimiento del buckyball C60 en 1996 llevaron a obtener el premio Nobel en Química a los cientificos Robert Curl, Harold Kroto y Richard Smalley.






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Los Nanotubos Como se comento, los nanotubos de carbono representan, hasta el momento, el mas importante producto derivado de la investigación en fullerenos.

Los nanotubos son moléculas con forma de cilindro, cuerpo geométrico que les garantiza ser la microestructura mas resistente del mundo, 300 veces mas que el acero. Además, por su peculiar forma, los nanotubos pueden conducir por su interior flujos de electrones o incluso de otros átomos.

Los nanotubos se componen de una o varias laminas de grafito u otro material enrolladas sobre si mismas.






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Algunos nanotubos están cerrados por media esfera de fullereno, y otros no. Existen nanotubos monocapa (un solo tubo) y multicapa (varios tubos metidos uno dentro de otro, al estilo de las famosas muñecas rusas). Los nanotubos de una sola capa se llaman single wall nanotubes (SWNTS) y los de varias capas, múltiple wall nanotubes (MWNT)

Los nanotubos tienen un diametro de unos nanometros y, sin embargo, su longitud puede ser de hasta un milimetro, por lo que dispone de una relación longitud:anchura tremendamente alta y hasta ahora sin precedentes.

La investigación sobre nanotubos de carbono es tan apasionante (por sus múltiples aplicaciones y posibilidades) como compleja (por la variedad de sus propiedades electrónicas, termales y estructurales que cambian según el diámetro, la longitud, la forma de enrollar, etc.). A continuación se enlistan en forma muy breve algunas propiedades y aplicaciones asociadas con estas mismas (por supuesto, esta es solo un fracción del total de aplicaciones propuestas hasta hoy): - Por sus propiedades metálicas se aplica en nanocircuitos;






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- por sus propiedades como semiconductores se utilizan para fabricar diodos y transistores;

- por su emisión de campo (que es una forma de arrancar electrones de un sólido mediante la aplicación de un campo eléctrico suficientemente fuerte), se puede utilizar para fabricación de pantallas planas, tubos de rayos catódicos, lámparas luminiscentes, litografía por haz de electrones, fuentes de rayos X, amplificadores de microondas, tubos de descarga, microscopios electrónicos, triodos, betatrones;

- por que resuenan mecánicamente ante una señal electromagnética así como por su comportamiento resistivo






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se aplica en radio electrónica;

- por su propiedad para deformarse en presencia de un campo eléctrico posibilita su aplicación para construir memorias, por ejemplo, los científicos han realizado una memoria basada en nanotubos que puede almacenar información de mil millones de anos;

- por su propiedad para transformar luz en electricidad y para reproducir luz al inyectarles carga se utiliza para construir dispositivos optoelectrónicos.






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Fuentes: http://es.wikipedia.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_de_materiales http://www.ntnu.no/gemini/2008-english/14-17.htm http://www.core.form-ula.com/sma-smart-wire-introduction/ http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_t%C3%A9rmico_de_memoria_%28metales%29 http://ingenieriademateriales.wordpress.com/2010/03/07/materiales-con-memoria-de-forma-i-termicos/ http://www.geeky-gadgets.com/textspresso-coffee-machine-takes-orders-via-sms-video-09-04-2012/ http://es.wikipedia.org/wiki/Plasma_%28estado_de_la_materia%29 http://www.google.com.mx/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=6&ved=0CFAQFjAF&url=http%3A%2F%2Fdialnet.unirioja.es%2Fdescarga%2Farticulo%2F2540940.pdf&ei=5hkqUZD_CMLp2QWQ1ICYBg&usg=AFQjCNEzJoxGihr_AGgF2JaBSltwAFj99g&bvm=bv.42768644,d.b2I http://plasmamedizin.com/plasma_medicine.html http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/2009/09/04/fullerenos-%C2%BFque-son-y-para-que-sirven/ file://localhost/mailbox/:::Users:jarnoldobautistacorral:Library:Thunderbird:Profiles:jqkoxcok.default:Mail:pop.gmail-1.com:Inbox%3Fnumber=194822772&part=1.3&filename=1%252B1%253D2.pps http://solgelnanophotonics.blogspot.mx/2012_02_01_archive.html http://www.google.com.mx/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=0CDcQFjAB&url=http%3A%2F%2Fwww.madrimasd.org%2Finformacionidi%2Fbiblioteca%2Fpublicacion%2Fdoc%2Fvt%2Fvt11_nanotubos.pdf&ei=_EcsUcPxDofHqAHJlYDQBg&usg=AFQjCNH3hjgV_58FDL-Kx8x_OWEAYiTDyA&bvm=bv.42965579,d.aWM ¡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: 631 No. de envío: 132 Bienvenidos comentarios sobre los envíos. Deseando tengan un excelente fin de semana, les envío un fuerte abrazo. Arnoldo Comentarios sobre el envío 131: Supermateriales, Parte I... _____________

El 22/02/13 21:14, Ramón Santacruz escribió: Ni se imagina uno que todos estos materiales existen. _____________ El 23/02/13 11:07, [email protected] escribió: Hola Arnoldo: Muchas gracias por compartir. Me parece muy interesante, no sólo como información, sino la generosidad de tu parte al abrir nuevos espacios a nosotros y para nuestros hijos. Saludos. Carlos............... _____________ El 23/02/13 20:25, edmundo Chaparro Mendoza escribió: Muy interesante Ing. Materiales que se utilizaran en la construcción en general. Saludos



http://es.wikipedia.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_de_materiales

http://www.ntnu.no/gemini/2008-english/14-17.htm

http://www.core.form-ula.com/sma-smart-wire-introduction/

http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_t%C3%A9rmico_de_memoria_%28metales%29

http://ingenieriademateriales.wordpress.com/2010/03/07/materiales-con-memoria-de-forma-i-termicos/

http://www.geeky-gadgets.com/textspresso-coffee-machine-takes-orders-via-sms-video-09-04-2012/

http://es.wikipedia.org/wiki/Plasma_%28estado_de_la_materia%29

http://www.google.com.mx/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=6&ved=0CFAQFjAF&url=http%3A%2F%2Fdialnet.unirioja.es%2Fdescarga%2Farticulo%2F2540940.pdf&ei=5hkqUZD_CMLp2QWQ1ICYBg&usg=AFQjCNEzJoxGihr_AGgF2JaBSltwAFj99g&bvm=bv.42768644,d.b2I



http://plasmamedizin.com/plasma_medicine.html

http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/2009/09/04/fullerenos-%C2%BFque-son-y-para-que-sirven/file:/localhost/mailbox/:::Users:jarnoldobautistacorral:Library:Thunderbird:Profiles:jqkoxcok.default:Mail:pop.gmail-1.com:Inbox%3Fnumber=194822772&part=1.3&filename=1%252B1%253D2.pps



http://solgelnanophotonics.blogspot.mx/2012_02_01_archive.html

http://www.google.com.mx/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=0CDcQFjAB&url=http%3A%2F%2Fwww.madrimasd.org%2Finformacionidi%2Fbiblioteca%2Fpublicacion%2Fdoc%2Fvt%2Fvt11_nanotubos.pdf&ei=_EcsUcPxDofHqAHJlYDQBg&usg=AFQjCNH3hjgV_58FDL-Kx8x_OWEAYiTDyA&bvm=bv.42965579,d.aWM








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_____________ El 23/02/13 20:48, JOSE MANUEL MAYAGOITIA HERNANDEZ escribió: Arnoldo: Realmente me impresiona esta información. Estoy de acuerdo con Lalo Vargas, son tan buenos tus artículos que deberías considerar la idea que te propuso. Un abrazo y felicidades Jose Manuel Mayagoitia H. _____________ El 23/02/13 21:56, Antonio Ramos escribió: Arnoldo, Comparto con Lalo su sugerencia, la cantidad de información que nos has compartido sobrepasa el conocimiento adquirido de un texto o libro de consulta y gracias por tenernos dentro del grupo afortunado de recibir este tipo de información. Antonio Ramos _____________ El 24/02/13 19:54, [email protected] escribió: Estimado Arnoldo yo realmente estoy sorprendido de tu grañidísima capacidad de trabajo, dedicación y desinterés, pues el que semanalmente recibas información de las personas que estamos en tu sección y a continuación la edites y distribuyas es entrega que nadie te la pagara, solo la satisfacción de servir. Felicitaciones y el que hace lo que puede ya cumplió como pocos. Horacio González _____________ El 26/02/13 16:06, eduardo gonzalez gomez escribió: De los mejores artículos ARNOLDO y sobre todo que hay mucho más de esto que valdría la pena documentar, gracias por el aporte




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