Otras Aplicaciones de La Cerámica

8/16/2019 Otras Aplicaciones de La Cerámica

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Otras aplicaciones de la cerámica

Hace un par de décadas, Toyota investigó la producción de un motor cerámico el cual puede funcionar a temperaturas

superiores a 3300 °C. os motores cerámicos no re!uieren sistemas de ventilación y por lo tanto permiten una mayor

reducción en el peso, y con esto, una mayor eficiencia en el uso de com"usti"le. a eficiencia en el uso de com"usti"le

de un motor es tam"ién superior a más alta temperatura. #n un motor metálico convencional, muc$a de la energ%a

generada desde la com"ustión de"e ser derroc$ada como calor para prevenir la fundición de las partes metálicas.

& pesar de todas estas propiedades desea"les, tales motores no están en producción por!ue la manufactura de partes

cerámicas es muy dificultosa. as imperfecciones en la cerámica conducen a !uie"ras y rompimientos. 'ic$os motores

son facti"les en investigaciones de la"oratorio, pero las dificultades actuales so"re la manufactura impiden su

producción en masa.

Científicos Argentinos desarrollan nuevos materiales

cerámicos para aplicarlos en salud y energía($are on face"oo) ($are on t*itter($are on digg($are on delicious($are on email +ore ($aring (ervices

Cient%ficos del alseiro tra"a-an con esta tecnolog%a "uscando etenderla al tratamiento del cáncer, a técnicas

odontológicas y a me-orar la eficiencia energética.

#stos nuevos materiales vitrocerámicos tam"ién servirán para me-orar técnicas odontológicas.

/eneralmente identificada con el mundo art%stico, la cerámica es un material muy no"le con aplicaciones en más áreas

de las !ue se cree. #s el caso de un grupo de cient%ficos del nstituto alseiro de la 12Cuyo con sede en ariloc$e,

!ue desarrollaron tecnolog%as para o"tener cerámicos 4v%treos o vitrocerámicos5 en estado monol%tico o capas finas,seg6n el caso, con funcionalidades espec%ficas en el ám"ito de la salud y de la energ%a.

Con respecto a la salud la investigación desarrolló microesferas de vidrio radioactivas que se traban en el

hígado, cerca de los tumores que reciben la radiación que se desprende desde ellas. Pero esas microesferas

también pueden ser utiliadas en odontología en la adhesión de restauraciones de inserción rígida, totalmente

cerámicas, seg!n detalló Ale"andro #ernánde, co$director del proyecto.

#n tanto, para el área de energ%a se centraron en el desarrollo de cerámicos para la construcción de celdas de

com"usti"le capaces de convertir, en forma eficiente y limpia, energ%a !u%mica en energ%a eléctrica.

7ernánde8 sostiene !ue la &rgentina cuenta con todos los elementos necesarios para poder producir esta tecnolog%a de

manera industrial, aun!ue por a$ora sólo se esté en la etapa de investigación. 9#n el caso de las microesferas v%treas

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:or otro lado, aclara 7ernánde8, la optimi8ación de los materiales óidos cerámicos en el área energética no solo tiene

m6ltiples aplicaciones para las celdas de com"usti"le, sino tam"ién para la o"tención de $idrógenos 4en celdas

electroli8adoras5, sensores de o%geno o mem"ranas de separación de gases

CRISTALES LÍQUIDOS

Lamamos líquido a una sustancia que fluye y toma la forma del recipiente que la contiene; pero, porotra, a un cristal lo concebimos como sustancia sólida y rígida. De modo que, al menos intuitivamente,¡un cristal es precisamente lo opuesto a un líquido! Y sin embargo eisten sustancias reales, los cristaleslíquidos, que eiben la dualidad sólido"líquido, es decir, que, simult#neamente, poseen propiedades delos líquidos, fluide$ y viscosidad, y propiedades ópticas que se parecen de modo asombroso a las de loscristales como, por e%emplo, poder refle%ar colores diferentes dependiendo del #ngulo ba%o el cual se lesobserve.

&n los 'ltimos treinta a(os se a descubierto que estas sustancias ocupan un lugar 'nico en lanaturale$a. )sí, se sabe que los cristales líquidos desempe(an un papel fundamental en los organismos vivos, pues el D*) forma diversas fases líquido cristalinas; tambi+n se les utili$a para fabricardispositivos electrónicos, como los indicadores electro"ópticos que muestran letras y símbolos diversosen las calculadoras de bolsillo o en las car#tulas de los relo%es electrónicos modernos -igura /0.

1ambi+n an permitido fabricar pantallas de 12 etraordinariamente delgadas y acen posible eldesarrollo de ventanas o cortinas que con sólo accionar un interruptor se acen transparentes ototalmente opacas -igura 30.

&stos líquidos tan peculiares son tambi+n esenciales para fabricar nuevos materiales, entre ellos fibrasde muy alta resistencia y son de gran utilidad en la recuperación del petróleo. Y la lista de lasaplicaciones de estos líquidos eóticos contin'a creciendo sin cesar... 4ero antes de eaminar con m#sdetalle cu#les son las propiedades de los cristales líquidos que acen posible estas aplicaciones,agamos un poco de istoria.

Figura 20. Indicador numérico elecro!"#ico $a%ricado con cri&ale& l'(uido&.

Los cristales líquidos fueron descubiertos ace m#s de cien a(os 35550 por el bot#nico austriaco -.6einit$er, quien encontró que algunos compuestos org#nicos derivados del colesterol parecían tener dospuntos de fusión. 7#s específicamente, observó que al calentar los cristales de estas sustancias a 389: ,el sólido se transformaba en un líquido turbio; pero +ste a su ve$, se convertía en un líquido totalmenteclaro y transparente precisamente a 3


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líquido transparente observando que eactamente a las mismas temperaturas anteriores ocurrían lastransformaciones opuestas. omo adem#s los cambios observados iban acompa(ados de absorción oemisión de calor, dependiendo de si la temperatura aumentaba o disminuía y, asimismo, como el volumen del sistema cambiaba en forma abrupta, 6einit$er concluyó que la sustancia en realidadeibía dos cambios o transiciones de fase sucesivas. )l poco tiempo de estas primeras observaciones355=0, el cristalógrafo alem#n -. Lemann descubrió que el líquido turbio intermedio entre los

cristales y el líquido transparente poseía propiedades ópticas y una estructura molecular muy parecida ala de un cristal sólido, y acu(ó el nombre de cristal líquido. )un sin darse plena cuenta, lo que enrealidad abían descubierto era un nuevo estado de la materia> las fases intermedias o mesofases.

4ara ver el gr#fico seleccione la opción ?Descargar? del men' superior

Figura 2). *enana de cri&al l'(uido con ranarencia conrola%le.

@in embargo, a pesar de que inicialmente los cristales líquidos despertaron gran inter+s y fueron muyestudiados durante el primer tercio de este siglo, pronto fueron relegados a un rincón de la física ycayeron r#pidamente en el olvido subsistiendo sólo como curiosidad de laboratorio. Diversos factores

contribuyeron a esta p+rdida de inter+s, uno de ellos fue el pre%uicio, fuertemente arraigado en elombre desde la remota antigAedad, seg'n el cual las tres nociones> gas, líquido y sólidodescriben todas las posibles fases de la materia. &sta actitud, a'n no superada en los a(os treinta deeste siglo, conlleva naturalmente un reca$o a la dualidad sólido"líquido eibida por los cristaleslíquidos. &n consecuencia no es de etra(ar que la aparente ambigAedad en el punto de fusióndescubierta por 6einit$er se atribuyera 'nicamente a la presencia de ?impure$as? en el sistema ba%oestudio.

Btro factor preponderante fue el gran desarrollo logrado en el segundo tercio de este siglo en otroscampos de la ciencia como la física de semiconductores, la química de polímeros, la física atómica o elespectacular desarrollo de la electrónica. 1odos estos avances y la entonces falta de aplicaciones

pr#cticas de los cristales líquidos, frenaron y eclipsaron su desarrollo. 4ero, paradó%icamente, losmismos avances y, de manera especial el proceso de miniaturi$ación de los dispositivos electrónicos,produ%eron el renacimiento y auge que los cristales líquidos tienen en nuestros días. &n efecto, en esteaf#n de miniaturi$ación la electrónica pasó de los bulbos a los transistores, despu+s a los microcircuitos y finalmente a los circuitos integrados actuales.

&ste proceso tuvo como consecuencia importantísima la disminución de las potencias consumidas y,por tanto, la reducción de las fuentes de alimentación energ+tica en aparatos e indicadores electrónicos.@in embargo, ocurrió algo muy lógico pero que no se abía anticipado> al reducir tanto las dimensionesde los dispositivos electrónicos ¡casi se perdió la comunicación con ellos mismos! ada ve$ era m#sdifícil transmitir Ca ba%o costoC la información al ombre, pues los diodos semiconductores emisores

de lu$ consumen grandes corrientes el+ctricas y los cinescopios de televisión son demasiado grandes.-altaba, pues, un puente de comunicación entre lo muy peque(o y el mundo macroscópico. &s entonces,a principios de los a(os sesenta, cuando los cristales líquidos son recordados y comien$a suresurgimiento asta convertirse en uno de los campos m#s activos en la investigación científicainterdisciplinaria con enormes posibilidades de aplicación tecnológicas.

4ero, se preguntar# el lector, qu+ propiedades físicas son las que acen tan especiales a los cristaleslíquidosE y, sobre todo, es posible entender estas propiedades en t+rminos de las nociones m#sfamiliares o intuitivas que tenemos de los líquidos ordinarios o los cristalesE 4ara contestar estaspreguntas es necesario eaminar brevemente las características de la estructura e interacción de lasmol+culas de un cristal líquido.

Fn cristal líquido fluye, se escurre y toma la forma del recipiente que lo contiene, de la misma maneraque lo ace un líquido ordinario como, por e%emplo, el agua. 4ero a diferencia de +sta, cuyas mol+culas


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son relativamente simples y pr#cticamente esf+ricas, las mol+culas de un cristal líquido son, por logeneral, o muy alargadas en forma de barra o aplanadas en forma de disco -igura 0.


Figura 22. La& molécula& de cri&al l'(uido ienen $orma de %arra& o di&co&.

&sta asimetría molecular tiene una consecuencia muy importante, los #tomos dentro de la mol+cula sesit'an preferentemente a lo largo del e%e de la mol+cula o bien en el plano definido por la mol+culamisma, dando lugar a una estructura molecular complicada, seg'n se ilustra en la figura G.


Figura 2+. ,u%e& elecr"nica&- lo& enlace& enre lo& omo& #roducen una di&ri%uci"n decarga com#licada en la& molécula&.

)ora bien, recordemos que cada #tomo consta de un n'cleo con carga el+ctrica positiva rodeado por

una nube de electrones con carga el+ctrica negativa que compensa eactamente la del n'cleo, de maneraque los #tomos, y por tanto las mol+culas, son el+ctricamente neutros. &sta disposición de los n'cleos ynubes electrónicas produce una distribución de carga bastante comple%a dentro de la mol+cula -igura80.


Figura 2/. a1 l'nea& de $uera del cam#o elécrico de un di#olo3 %1 $uera& de aracci"nenre di#olo&.

4ero esta configuración no es est#tica, sino que cambia cuando dos mol+culas se acercan entre sí. &n

efecto, cuando esto ocurre, las nubes electrónicas son las primeras en entrar en contacto y se repelenpor tener cargas del mismo signo, de modo que a distancias comparables con las dimensionesmoleculares mismas, las fuer$as intermoleculares son repulsivas y tienden a ale%ar a las nubeselectrónicas y en consecuencia a las mol+culas. 4ero esta repulsión tambi+n produce el despla$amientorelativo de las nubes electrónicas con respecto a sus n'cleos. omo esto ocurre en cada #tomo, en lasmol+culas alargadas el efecto neto podemos describirlo imaginando que la presencia de una mol+cula decristal líquido produce una distorsión en la distribución de carga el+ctrica de la otra mol+cula, de modoque la carga positiva neta de los n'cleos queda separada una cierta distancia de una carga negativa deigual magnitud. omo es sabido, a esta configuración de carga se le llama un dipolo eléctrico y a la líneaque une ambas cargas se le llama e%e del dipolo, que coincide entonces con el e%e largo de la mol+cula. )sí que podemos concluir que una mol+cula de cristal líquido induce la formación de dipolos el+ctricos

en las mol+culas vecinas. Debe se(alarse, sin embargo, que es m#s f#cil que la nube electrónica sedesplace con respecto al n'cleo positivo a lo largo del e%e de la mol+cula que transversalmente a +l Ca lolargo del e%e cortoC aunque esto 'ltimo tambi+n es posible dependiendo de la estructura molecular. )ora debemos averiguar a qu+ conduce esta formación de dipolos en todo el cristal líquido.

@abemos que cada configuración de cargas el+ctricas crea un campo el+ctrico & en el espacio que larodea. La estructura espacial específica de cada campo, es decir, cómo varia su magnitud con la posición y cu#l es su dirección en cada punto, es una propiedad de cada configuración de carga, pero esprecisamente a trav+s de este campo como cada configuración e%erce fuer$as sobre otras cargasel+ctricas. &n el caso del dipolo el+ctrico la estructura de este campo est# representada por las líneas de fuerza que se muestran en la figura 8 a0 y sus propiedades son tales que, si en la región ocupada por

este campo se coloca otro dipolo, las fuer$as que el campo del primero produce fuer$a a que los dipolosse orienten como se muestra en la figura 8 b0. &s decir, la mayor parte de los #tomos de una mol+culatrata de situarse al lado de los #tomos de otra, de modo que las cargas del mismo signo se sit'en lo m#s


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cerca unas de otras. &l resultado neto es que así se genera una fuer$a atractiva entre los dipolos.&ntonces, cuando dos mol+culas de un cristal líquido se encuentran separadas a distancias mayores quesus dimensiones, las mol+culas se atraen. &s claro que de acuerdo con este modelo simplificado de lainteracción entre mol+culas se sigue que debe eistir una distancia entre ellas para la cual las fuer$asatractivas y repulsivas se equilibren y, en consecuencia, la configuración relativa de las mol+culas sea lam#s estable y la m#s favorable desde el punto de vista energ+tico. 4or lo tanto es de esperarse que las

mol+culas de cristal líquido tiendan a adoptar esta configuración manteniendo sus e%es dipolares oplanos característicos paralelos entre sí. oncluimos entonces que, debido a la estructura de susmol+culas y en especial debido a la asimetría de las mismas, un cristal líquido adopta configuracionesaltamente ordenadas. )unque el mecanismo de interacción molecular que emos descrito es b#sicamente el mismo que genera el orden en los cristales sólidos. *o debe olvidarse una diferenciaesencial entre ambos sistemas> en todo momento los cristales líquidos permanecen en estado líquido, locual implica que los centros de masa de sus mol+culas no forman una red periódica sino que fluyenmanteniendo el orden en la orientación com'n de sus e%es moleculares.

De acuerdo con el tipo de arreglos moleculares que pueden formar, -riedel 3=0 clasificó los cristaleslíquidos en tres grandes clases> nem#ticos, esm+cticos y colest+ricos. La fase nem#tica eibe orden en

la orientación de sus mol+culas y al mismo tiempo desorden en la posición de sus centros de masa. Lasmol+culas pueden moverse lateralmente, girar alrededor del e%e com'n o desli$arse paralelamente a +l-igura 90.


Figura 24. La $a&e nemica e56i%e orden de orienaci"n3 #ero de&orden en la #o&ici"n delo& cenro& de ma&a moleculare&.

4odríamos comparar este arreglo molecular con el de los cerillos dentro de una ca%a> aunque puedenmoverse, la presencia de los dem#s impone restricciones a estos movimientos y tiende a mantenerlos

paralelos entre sí. De este modo, respecto a la posición de sus centros de masa, un nem#tico secomporta como un líquido ordinario y sus mol+culas se mueven caóticamente. &n cambio difieretotalmente de un líquido ordinario en que sus mol+culas se orientan y al moverse mantienen sus e%esparalelos a una dirección com'n. &s preciso se(alar que, por supuesto, este orden nunca es perfecto,sólo ocurre a temperaturas moderadas cuando las variaciones t+rmicas no son tan intensas como paradestruir totalmente este orden de orientación. 6ecordemos que ya desde las primeras observaciones de6einit$er sabemos que al calentar un cristal líquido +ste se convierte en un líquido ordinario. 1ambi+nes importante mencionar que, adem#s de la temperatura, otras propiedades, como la densidad, son degran importancia para determinar el grado de orden o el tipo de fase líquido cristalina que puedeformarse. &n efecto, cuando el n'mero de mol+culas por unidad de volumen es elevado, o sea, cuando ladensidad es grande, las mol+culas est#n m#s cerca unas de otras y las interacciones repulsivas entre

ellas son m#s intensas, lo cual favorece la aparición de orden tanto de orientación como de posición enel cristal líquido. @in embargo, estas fluctuaciones t+rmicas producen defectos en la orientación loscuales dan lugar a estructuras microscópicas en forma de ilo que flotan en el nem#tico o que seadieren a la superficie del recipiente. 4recisamente esta característica fue el origen delnombre nemático que en griego significa ilo.

&n contraste con los nem#ticos, que son la fase m#s desordenada de los cristales líquidos, los esm+cticosconstituyen la fase m#s ordenada. 1ienden a organi$arse en capas planas paralelas entre sí, como laso%as de un libro pero con sus e%es moleculares perpendiculares a estos planos y paralelos entre sí. Hstees, por e%emplo, el arreglo de las mol+culas en las capas superficiales de una pompa de %abón y es el quele proporciona la coesión necesaria para formarse. De eco, esm+ctico se deriva del vocablo griego

que designa una sustancia de propiedades similares al %abón. omo en los nem#ticos, las mol+culas deesm+ctico tambi+n pueden girar alrededor de la dirección de orientación com'n pero no pueden acerlofuera de la capa en que se encuentran. &n cada plano las mol+culas pueden acomodarse en filas con


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diferentes grados de orden de posición de sus centros de masa. &n el caso m#s ordenado se produce unarreglo regular muy parecido al de la red de un sólido, en el que ay orden y repetición en cadadirección -igura I0.

Figura 27. Un cri&al e&mécico con orden de orienaci"n de lo& e8e& moleculare& 9 ordenen la #o&ici"n de &u& cenro& de ma&a.

&n cambio, en el arreglo m#s desordenado los centros de masa moleculares se mueven caóticamente en

cada plano, de modo que en este caso el esm+ctico es nem#tico por planos -igura


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La tercera clase de cristales líquidos posee una estructura molecular característica de mucoscompuestos que contienen colesterol y por esta ra$ón se le llama colest+rica. omo en los esm+cticos,las mol+culas de colest+rico tambi+n pueden acomodarse en capas superpuestas, pero con unadiferencia crucial> los e%es moleculares se orientan en una dirección paralela al plano mismo de lascapas. 7#s a'n, esta dirección cambia ligeramente de capa a capa debido a la peculiar estructura

molecular de los colest+ricos, y en consecuencia el e%e de orientación, al pasar de un plano a otro,describe una trayectoria en forma de +lice, como se indica en la figura 5.


Figura 2;. La direcci"n de orienaci"n molecular en cada #lano de cole&érico de&cri%euna ra9ecoria 6elicoidal l'nea di&coninua1.

Jemos visto cómo la arquitectura molecular de los cristales líquidos favorece, a temperaturas ydensidades moderadas, la aparición de una dirección especial a lo largo de la cual se orientan lasmol+culas alargadas y perpendicularmente a ella en las mol+culas en forma de disco. La peculiaridad de

este tipo de materiales es que la eistencia de una dirección preferida afecta el comportamiento de losrayos luminosos en el material cambiando su intensidad, color y dirección de propagación. 4or estara$ón a esta dirección especial se le llama el e%e óptico del material y es la causa de mucos fenómenosópticos importantes. &s necesario subrayar aquí que la eistencia del e%e óptico es un fenómenocolectivo que se da en forma espont#nea en los cristales líquidos. )sí, por e%emplo, si un rayo de lu$ blanca incide sobre el cristal líquido formando un #ngulo con el e%e óptico puede transformarse en lu$de color al transmitirse a trav+s del líquido pues la velocidad de la lu$ en el fluido depende de ladirección de propagación respecto al eje óptico. 4ero, adem#s de este cambio en el color, tambi+n puedeocurrir que el rayo saliente se divida en dos rayos luminosos cuyas intensidades relativas varíendependiendo de la dirección del rayo incidente con el e%e óptico. ) este fenómeno se lellama birrefringencia.

4or otra parte, es bien conocido que los cristales sólidos con e%es ópticos se usan en m'ltiplesaplicaciones tecnológicas en las que es necesario dirigir los rayos luminosos en forma r#pida y precisa.


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Fna aplicación muy conocida es la de los polaroides o polari$adores, que sólo transmiten algunos de losrayos luminosos que inciden sobre ellos y que se usan ampliamente en la fotografía en colores o parafabricar lentes que prote%an los o%os de la lu$ deslumbradora del @ol. 4ara entender me%or la función deun polari$ador recordemos que cada onda electromagn+tica emitida por un sistema particular de cargasen movimiento, consta de un campo el+ctrico & y un campo magn+tico J que oscilan transversalmentea la dirección de propagación de la onda -igura =0. )unque en cada onda el campo el+ctrico est#

orientado de modo preciso, en un rayo de lu$ compuesto de mucas ondas emitidas por diferentessistemas de cargas a diferentes tiempos, no ay en general una dirección C?polari$ación?C biendeterminada del campo el+ctrico total. uando esto ocurre se dice que la lu$ es natural o no polari$ada.

Los polari$adores permiten, precisamente, convertir la lu$ natural en polari$ada al eliminar del rayo delu$ todas aquellas ondas cuya polari$ación no sea la requerida. Ya que los cristales líquidos poseen e%eóptico no es de etra(ar que tambi+n eiban mucos de estos fenómenos, los cuales son totalmenteinsólitos en los líquidos ordinarios. @in embargo, a diferencia de los cristales sólidos los cristaleslíquidos presentan una venta%a enorme> debido a la relativa debilidad de las fuer$as de interacciónmolecular, la orientación del e%e óptico se puede variar con mayor facilidad. &isten diversos m+todospara ?mane%ar? el e%e óptico de un cristal líquido, todos ellos basados en la enorme capacidad de estos

sistemas para responder a la acción de campos eternos.

Figura 2


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características de las interacciones moleculares, todas las mol+culas en el espesor de la capa se alineaneactamente en la misma dirección. @i ba%o estas condiciones una placa se gira noventa grados respectoa la otra Cdebido a que a grandes distancias de las placas el influ%o del vidrio sobre las mol+culas denem#tico es menor que cerca de las superficies sólidasC las mol+culas, y por lo tanto el e%e óptico delcristal líquido, se reorientan adquiriendo la configuración torcida que se muestra en la figura G/.

Figura +0. =eomer'a orcida #roducida al girar la& #laca& de >idrio


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Hste es el principio físico del funcionamiento de la gran mayoría de los indicadores digitales usados encalculadoras de bolsillo, videograbadoras, tableros de diversos aparatos medidores o cuadrantes desintonía. &s importante se(alar que los procesos comprendidos en los dispositivos que acabamos dedescribir, ocurren r#pidamente, por lo com'n en una die$mil+sima o cienmil+sima de segundo; así, enuna fracción peque(a de tiempo se puede mostrar en la pantalla toda una sucesión de cifras o símbolosdiversos. 7#s a'n, como las dimensiones de la celda son tan peque(as, los problemas usuales asociados

con el mane%o de los líquidos no se presentan y las potencias consumidas en los circuitos de la mismason muy peque(os; por e%emplo, una pila de 3.9 voltios basta para generar toda la energía requerida.

&n las p#ginas anteriores emos presentado un esbo$o de cómo son los cristales líquidos; resultaevidente que es +ste un campo interdisciplinario de gran importancia, tanto científica como tecnológica.4odemos mencionar que actualmente ya est#n a la venta televisores miniatura a colores, con pantallasde gran definición, fabricados con cristales líquidos. ) %u$gar por los logros y aplicacionesespectaculares de los cristales líquidos obtenidos en los 'ltimos a(os, no cabe duda que el futuro nosdeparar# sorpresas cada ve$ mayores y, al mismo tiempo, nos brindar# nuevos retos para comprenderlas etraordinarias propiedades de estas fases intermedias de la materia.

@IOATERIALES

Los biomateriales se pueden definir como materiales biológicos comunes tales como piel, madera, ocualquier elemento que remplace la función de los te%idos o de los órganos vivos. &n otros t+rminos, un biomaterial es una sustancia farmacológicamente inerte dise(ada para ser implantada o incorporadadentro del sistema vivo.

Los biomateriales se implantan con el ob%eto de rempla$ar yo restaurar te%idos vivientes y susfunciones, lo que implica que est#n epuestos de modo temporal o permanente a fluidos del cuerpo,aunque en realidad pueden estar locali$ados fuera del propio cuerpo, incluy+ndose en esta categoría a lamayor parte de los materiales dentales que tradicionalmente an sido tratados por separado.

Debido a que los biomateriales restauran funciones de te%idos vivos y órganos en el cuerpo, es esencialentender las relaciones eistentes entre las propiedades, funciones y estructuras de los materiales biológicos, por lo que son estudiados ba%o tres aspectos fundamentales> materiales biológicos,materiales de implante y la interacción eistente entre ellos dentro del cuerpo. Dispositivos comomiembros artificiales, amplificadores de sonido para el oído y prótesis faciales eternas, no sonconsiderados como implantes.

La biomec#nica se encarga de estudiar la mec#nica y la din#mica de los te%idos y las relaciones queeisten entre ellos; esto es muy importante en el dise(o y el in%erto de los implantes. Despu+s dereali$ado un in%erto, no se puede ablar del +ito de un implante, este se debe considerar en t+rminos dela reabilitación del paciente; por e%emplo, en el implante de cadera se presentan cuatro factoresindependientes> fractura, uso, infección y desprendimiento del mismo.


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Figura +2. Dio&ii>o #ara el raamieno de 6idroce$alia 9 &u colocaci"n en cere%ro.E& 6ec6o de &ilic"n.

@i la probabilidad de que un sistema falle es f, entonces la probabilidad que tiene el paciente dereabilitación es> r M 3 " f. La probabilidad de reabitación total rt puede epresarse en t+rminos de lasprobabilidades reales de los factores que contribuyen a la falla del sistema rt M r3 . r ... rn donde r3 M 3 "f3, r M 3 " f, etc+tera.


Figura ++. U&o del e&imulador elécrico #ara aci>ar 9 acelerar el crecimieno del e8ido

"&eo en $racura&3 con 9 &in ornillo& de $i8aci"n. Todo& &on %iomaeriale&.4or lo anterior, si r M 3, entonces el implante es perfecto, mientras que si, por e%emplo, ocurre siempreuna infección tendremos r M /, es decir, no ay probabilidades de reabilitación del paciente.

&n algunos casos la función de los te%idos u órganos es tan importante que no tiene sentido elrempla$arlos por biomataeriales; por e%emplo, la m+dula espinal o el cerebro.

&l +ito de un biomaterial o de un implante depende de tres factores principales> propiedades y biocompatibilidad del implante, condiciones de salud del receptor, y abilidad del ciru%ano que reali$ael implante; la física sólo se aplica al primero.

Los requisitos que debe cumplir un biomaterial son>

3. @er biocompatible, es decir, debe ser aceptado por el organismo, no provocar que +ste desarrollesistemasde reca$o ante la presencia del biomaterial

. *o ser tóico, ni carcinógeno.

G. @er químicamente estable no presentar degradación en el tiempo0 e inerte.

8. 1ener una resistencia mec#nica adecuada.

9. 1ener un tiempo de fatiga adecuado.

I. 1ener densidad y peso adecuados.


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5. @er relativamente barato, reproducible y f#cil de fabricar y procesar para su producción en granescala.

Jay, de eco, cuatro grupos de materiales sint+ticos usados para implantación> met#licos, cer#micos,polim+ricos y compuestos de ellos; el cuadro N2 enumera algunas de las venta%as, desventa%as yaplicaciones para los cuatro grupos de materiales sint+ticos.

Fna alternativa para los implantes artificiales es el trasplante, por e%emplo de ri(ón o cora$ón, aunqueeste esfuer$o se ve obstaculi$ado por problemas sociales, morales, +ticos e inmunológicos; sin embargo,en el caso del ri(ón, el paciente tiene mucas desventa%as con uno artificial> su costo es elevado, notiene movilidad y, adem#s, el mantenimiento y el cuidado deben ser constantes.

Los usos quir'rgicos de los biomateriales son m'ltiples, por e%emplo, para implantes permanentes>

a. &n el sistema esquel+tico muscular, para uniones en las etremidades superiores e inferioresombros, dedos, rodillas, caderas, etc.0 o como miembros artificiales permanentes; b) en elsistema cardiovascular, cora$ón v#lvula, pared, marcapasos, cora$ón entero0, arterias y venas; c) en el sistema respiratorio, en laringe, tr#quea y bronquios, diafragma, pulmones y ca%ator#cica; d) en sistema digestivo> esófago, conductos biliares e ígado; e) en sistema

genitourinario, en ri(ones, ur+ter, uretra, ve%iga; f) en sistema nervioso, en marcapasos; g) en lossentidos> lentes y prótesis de córneas, oídos y marcapasos caróticos; h) otras aplicaciones seencuentran por e%emplo en ernias, tendones y adesión visceral; i)implantes cosm+ticosmailofaciales nari$, ore%a, mailar, mandíbula, dientes0, pecos, testículos, penes, etc+tera.


CUADRO I*. aeriale& #ara im#lanaci"n

La caracteri$ación física de las propiedades requeridas de un material para aplicaciones m+dicas, varíade acuerdo con la aplicación particular. Debemos considerar que las pruebas fisicoquímicas de losmateriales para implante in vivo son difíciles, si no imposibles. Las pruebas in vitro deben ser

reali$adas antes del implante. La fabricación y el uso de los materiales depende de sus propiedadesmec#nicas, tales como resistencia, dure$a, ductibilidad, etc+tera. Las propiedades el#sticas y viscoel#sticas ser#n caracteri$adas antes que las est#ticas y din#micas.

La naturale$a iónico, covalente y met#lico0, y la fuer$a de los enlaces atómicos determinan qu+ tanestable es el material cuando se le aplica una carga, es decir, cuando se le somete a un esfuer$o de tipomec#nico; este tipo de propiedades son conocidas como mecánicas. uando se determina la estabilidaddel material en función de cambios en la temperatura, se abla de propiedades térmicas.

uando estiramos un material, son las fuer$as entre los enlaces moleculares fuer$as de atracción yrepulsión entre los #tomos que las componen0 las que determinan el comportamiento del material.Nnicialmente, la mayor parte de los materiales cumplen con la Ley de JooKe, es decir, la fuer$a que se

aplica para estirarlo o comprimirlos0 es proporcional a la distancia de deformación. La constante deproporcionalidad se llama constante elástica, y est# relacionada indirectamente con la energía delenlace, lo que podemos epresar como>


donde representa el esfuer$o, que es la fuer$a por unidad de #rea de sección transversal,∈ es ladeformación o estiramiento del material, dada por el cambio en la longitud respecto a la longitudoriginal ll/ y & se conoce como módulo el#stico o 7ódulo de Young el cual es una característica delmaterial.


Figura +/. Di>er&o& di&eBo& de com#onene& de ca%ea& de $émur 9 com#onene& decadera.


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uando un material es sometido a deformación por estiramiento, es posible determinar dos regiones bien marcadas en el comportamiento que presenta> la el#stica, donde la deformación es proporcional alesfuer$o aplicado> el material regresa a su forma original cuando la fuer$a que act'a sobre +l se elimina; y la plástica, en la que no eiste proporcionalidad entre la fuer$a aplicada y el estiramiento, en este casoel material no regresa a su forma original al anularse la fuer$a que act'a sobre +l. Oeneralmente, losmateriales sometidos a fuer$as peque(as siguen un comportamiento de tipo el#stico, pero a medida que

la fuer$a crece el comportamiento pasa a ser del tipo pl#stico, y si la fuer$a sigue creciendo, puedeocurrir la fractura del material.

&n los materiales cer#micos y en los vítreos es f#cil que ocurra la fractura, adem#s es impredecible elmomento en que esto puede suceder, por lo que, aunque presentan un alto grado de biocompatibilidad,no son muy usados en implantes.

La resistencia al impacto es la cantidad que puede absorber un material de energía debida a la fuer$ae%ercida sobre +l por un golpe, es decir, por una fuer$a grande en magnitud aplicada durante un tiempomuy corto. Hsta es otra de las pruebas que tiene que pasar un material que se requiere paraimplantación, los requisitos sobre la medida depender#n del uso que se le d+.

La dureza es una medida de la deformación pl#stica, y se define como la fuer$a por unidad de #rea de

penetración o indentación en el material. 4ara determinarla de manera eperimental, es claro que elm+todo depender# del tipo de material de que se trate; en el caso de metales, por e%emplo, se incrustauna punta de diamente en forma de pir#mide en la superficie del material, con una fuer$a conocida, y semide la penetración que alcan$a. @i se trata de un polietileno, se utili$a una esfera de acero inoidablesobre la superficie, midi+ndose la penetración que alcan$a para una carga dada.

Btra propiedad importante del material es la de termofluencia, es decir, la deformación que sufre con eltiempo al someterse a una carga conocida. La deformación el#stica que sufre inicialmente el materialante una carga dada, es seguida de una termofluencia algo así como el corrimiento entre las capasatómicas que lo constituyen, similar a lo que sucede con los fluidos0, antes de que se presente lafractura.

&l desgaste de un material de implantes tiene importancia en especial si se trata de rempla$ar uniones.&l desgaste del material est# estrecamente relacionado con la fricción entre los dos materiales. &simportante considerar el #rea real de la superficie que entra en contacto en la unión requerida ya que,en general, es muco menor de lo que aparenta; +sta puede incrementarse con el peso que se aplica paralos materiales d'ctiles y para los el#sticos.

&n las prótesis de uniones entre uesos, el desgaste es muy importante, y resulta del movimiento yrecolocación de los materiales usados.

Jay diferentes tipos de desgaste> el corrosivo, debido a la actividad química de alguno de los materialesde la unión; el de fatiga superficial , debido a la formación de peque(as fracturas que pueden dar lugar aun rompimiento del material, y el abrasivo, en el cual partículas de una superficie son empu%adas acia

la otra en la que se adieren, debido al movimiento que se tiene.

uando ay lubricación entre dos superficies en contacto, la fricción y las propiedades de desgastecambia dr#sticamente. &n la mayoría de las aplicaciones a implantes eiste alg'n tipo de lubricante.

omo podemos notar, la física est# presente en todas las ramas de la medicina> no sólo en lainvestigación b#sica, tambi+n en la instrumentación, en los implantes, en la clínica, en diagnosis, enterapia, etc+tera.

&s tradicional que los estudiantes tengan problemas tanto en física como en matem#ticas porque desdemuy %óvenes les an eco sentir que son materias muy difíciles, incluso algunas veces se dan por vencidos antes de tratar de entender los conceptos b#sicos, y esto obviamente dificulta su aprendi$a%e.

&ste fenómeno se da en todos los niveles de la educación; sin embargo, vivimos en un mundo en el quela física est# presente en todo momento, ya que es la ciencia que eplica el comportamiento de la


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naturale$a. &l cuerpo umano y la tecnología que para +l podemos desarrollar no pueden quedarecluidos.

on este peque(o libro esperamos que los estudiantes de medicina auyenten su miedo por la física yque los estudiantes de física se interesen en las aplicaciones que +sta tiene en medicina.

/. ATERIALES CERICOS

Los productos cer#micos son materiales sólidos inorg#nicos no met#licos que pueden ser cristalinos ono cristalinos. Los materiales cer#micos no cristalinos incluyen el vidrio y unos cuantos materiales m#scon estructuras amorfas.


Los materiales cer#micos son muy resistentes al calor, la corrosión y el desgaste, no se deformanf#cilmente cuando se someten a esfuer$os y son menos densos que algunos metales empleados enaplicaciones de alta temperatura. )lgunos materiales ceramicos que se usan en aviones, proyectiles y veículos espaciales pesan sólo el 8/P de lo que pesarían los componentes met#licos a los quesustituyen.

) pesar de tantas venta%as, el empleo de productos cer#micos como materiales de ingeniería a estadolimitado por su naturale$a etremadamente quebradi$a. &n tanto que un componente met#lico podríaabollarse si se le golpea, una pie$a cer#mica por lo regular se ace peda$os porque los enlaces impidenque los #tomos se deslicen unos sobre otros. )dem#s, es difícil fabricar componentes cer#micos sindefectos. &fectivamente, los elevados costos de fabricación y la incierta confiabilidad de loscomponentes son barreras que deber#n vencerse antes de que los materiales cer#micos se utilicen m#sampliamente para sustituir a los metales y a otros materiales estructurales. &s por ello que la atenciónen a(os recientes se a enfocado en el procesamiento de los materiales cer#micos, así como en laformación de materiales cer#micos compuestos y el desarrollo de recubrimientos cer#micos delgadossobre materiales convencionales.

aeriale& cermico& com#ue&o&

Los ob%etos cer#micos son muco m#s fuertes cuando se forman a partir de una me$cla comple%a de dos

o m#s materiales. @eme%antes me$clas se denominan materiales compuestos o composites. Losmateriales compuestos m#s eficaces se forman por la adición de fibras cer#micas a un materialcer#mico.


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)sí, el material compuesto consiste en una matri$ cer#mica que contiene fibras embebidas de unmaterial cer#mico, que podría o no tener la misma composición química que la matri$. 4or definición,una fibra tiene una longitud de por lo menos 3// veces su di#metro. Las fibras suelen tener unaresistencia elevada cuando se someten a cargas aplicadas a lo largo de su e%e longitudinal. @i las fibrasest#n embebidas en una matri$, la fortalecen porque resisten deformaciones que e%ercen un esfuer$osobre la fibra a lo largo de su e%e longitudinal.

La formación de fibras cer#micas se ilustra con el caso del carburo de silicio, @i, o carbor'ndum. &lprimer paso de la producción de fibras de @i es la síntesis de un polimero, polidimetilsilano>

@i este polímero se calienta a cerca de 8//Q, se convierte en un material que tiene atomos de carbono y silicio alternantes a lo largo de la cadena>

Las fibras formadas a partir de este polímero se calientan entonces lentamente a cerca de 3//: enuna atmósfera de nitrógeno para epulsar todo el idrógeno y todos los #tomos de carbono ecepto losque enla$an directamente los #tomos de silicio.

&l producto final es un material cer#mico con composición @i, en forma de fibras cuyo di#metro varíaentre 3/ y 39 um. 7ediante procedimientos similares, partiendo de un polímero org#nico apropiado, esposible fabricar fibras cer#micas con otras composiciones, como el nitruro de boro, R*. @i las fibrascer#micas se agregan a un material cer#mico procesado como se eplicó antes, el producto resultantetiene una resistencia muco m#s alta a las fallas catastróficas por agrietamiento.

A#licacione& de lo& maeriale& cermico&

Los productos cer#micos, sobre todo los nuevos ?composites? cer#micos, se utili$ar ampliamente en laindustria de las erramientas para cortar. 4or e%emplo, la al'mina refor$ada con fibras etremadamentefinas de carburo de silicio se usa para cortar y maquinar ierro colado y aleaciones m#s duras a base deníquel. 1ambi+n si utili$an materiales cer#micos en las ruedas de amolar y otros abrasivos a causa de si

ecepcional dure$a 1abla 3.80. &l carburo de silicio es el abrasivo m#s ampliamente utili$ado.4ara ver el gr#fico seleccione la opción ?Descargar? del men' superior

Los materiales cer#micos desempe(an un papel importante en la industria electrónica. Los circuitosintegrados semiconductores generalmente se montan en un sustrato de cer#mica, por lo regularal'mina. )lgunos materiales cer#micos, notablemente el cuar$o @i B cristalino0, son pie$oel+ctricos,lo que significa que generan un potencial el+ctrico cuando se les somete a un esfuer$o mec#nico. &stapropiedad ace posible el empleo de materiales pie$oel+ctricos para controlar las frecuencias en loscircuitos electrónicos, como en los relo%es de cuar$o y los generadores ultrasónicos.

@e usan materiales cer#micos para fabricar placas cer#micas que cubren las superficies de lostransbordadores espaciales, a fin de protegerlas contra el sobrecalentamiento durante el reingreso en la

atmósfera terrestre. Las placas se fabrican con fibras de sílice cortas de alta pure$a refor$adas con fibrasde boro silicato de aluminio. &l material se moldea en bloques, se sinteri$a a m#s de 3G//: luego secorta en placas. Las placas tienen una densidad de apenas /. gcnr, pero pueden mantener la piel de


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aluminio del trasbordador por deba%o de los 35/Q cuando la temperatura superficial es de asta39/Q.

4. ELÍCULAS DEL=ADAS

Las películas delgadas se utili$aron inicialmente con fines decorativos. &n el siglo S2NN, los artistasaprendieron a pintar un patrón en un ob%eto cer#mico con una disolución de una sal de plata y calentar

despu+s el ob%eto para causar la descomposición la sal y de%ar una película delgada de piata met#lica.Joy día, las películas delgadas se utili$an con fines de decoración o de protección> para formarconductores, resistores y otros tipos de películas en circuitos, microelectrónicas; para formar positivosfotovoltaicos que convierten energía solar en electricidad; y para mucas otras aplicaciones.


Las películas delgadas pueden acerse con cualquier tipo de material, incluidos metales, óidosmet#licos y sustancias org#nicas.

&l t+rmino película delgada no tiene una definición precisa; en general se refiere a peliculas cuyoespesor va de /.3 um asta unos G// um, y normalmente no se aplica cubrimientos como pinturas o barnices, que suelen ser muco m#s gruesos. 4ara que una película delgada sea 'til, debe poseer todas o

casi todas las propiedades siguientes> a0 debe ser químicamente estable en el entorno en el que seusar#; debe aderirse bien a la superficie que cubre el sustrato0; c0 debe tener un espesor uniforme;d0 debe ser químicamente puro o tener una composición química controlada; y e0 debe tener una ba%adensidad de imperfecciones. )dem#s de estas características generales, podrían requerirse propiedadesespeciales para ciertas aplicaciones. 4or e%emplo, la película podría tener que ser aislante osemiconductora, o poseer propiedades ópticas o magn+ticas especiales"

Fna película delgada so debe aderir al sustrato subyacente para poder ser util. Dado que la película esinerentemente fr#gil, depende del sustrato para su apoyo estructural. 1al apoyo sólo se logra si lapelícula est# unida al sustrato por fuer$as tensas. Las fuer$as de unión pueden ser químicas; es decir,una reacción química en la superficie puede conectar la película con el material subyacente. 4or

e%emplo, cuando un óido met#lico se deposita en vidrio, las redes de óido del óido met#lico del vidriose combinan en la interfa$ para formar una $ona delgada de composición intermedia. &n estos casos lasenergías de enlace entre la película y el sustrato tienen una magnitud del mismo orden que la de losenlaces químicos, es decir, de 9/ a 8// TUmol. &n algunos casos, empero, la unión entre la película yel sustrato se basa 'nicamente en fuer$as intermoleculares de 2an der Vaals y electrost#ticas, comopodría darse cuando una película de un polímero org#nico se deposita en una superficie met#lica. Lasenergías que unen la película al sustrato en tales casos pudrían ser sólo del orden de 9/ a 3// KUmol,así que las películas no son tan robustas.

U&o& de la& #el'cula& delgada&


Las películas delgadas se usan en microelectrónica como conductores, resistores condensadores.1ambi+n se usan ampliamente como recubrimientos ópticos en lentes para reducir la cantidad de lu$refle%ada en la superficie del lente y para proteger la lente. Las películas delgadas met#licas se anutili$ado desde ace muco como recubrimientos protectores de metales; por lo regular, se depositan apartir de soluciones empleando corrientes el+ctricas, como en el capeado con plata y el ?cromado?.

Las superficies de erramientas metalicas se cubren con películas delgadas cer#micas para aumentar sudure$a. )unque consumidor no se da cuenta de ello, casi todas las botellas de vidrio que compra estanrecubiertas con una o m#s películas delgadas. Las películas se aplican al vidrio con ob%eto de reducir lasrayaduras y la abrasión y aumentar la lubricidad, es decir, la facilidad con que las botellas puedendesli$arse unas contra otras. La película delgada m#s com'n es de óido de esta(o N20, @n B.


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Formaci"n de #el'cula& delgada&

Las películas delgadas se forman por diversas t+cnicas, que incluyen depositación al vacío, depositaciónelectrónica y depositación de vapor químico.

La depositación al vacío se usa para formar películas delgadas de sustancias que se pueden vapori$ar oevaporar sin destruir su identidad química. 1ales sustancias incluyen metales, aleaciones met#licas ycompuestos org#nicos simples con óidos, sulfures, fluoruros y cloruros.

La depositación electrónica implica el empleo de un alto volta%e para eliminar material de una fuente, uob%etivo. Los #tomos desprendidos del ob%etivo via%a trav+s del gas ioni$ado dentro de la c#mara y sedepositan en el sustrato. La superficie del ob%etivo es el electrodo negativo, o c#todo, del circuito; elsustrato puede estar conectado al electrodo positivo, o anodo.

La c#mara contiene un gas inerte como argón que se ioni$a en el campo de alto volta%e. Los iones,cargados positivamente, se aceleran acia la superficie del ob%etivo y cocan contra ella con suficienteenergía como para desprender #tomos del material ob%etivo. 7ucos de estos #tomos se aceleran aciala superficie del sustrato y, al cocar con ella, forman una película delgada.

La depositación electrónica se utili$a ampliamente para formar películas delgadas de elementos comosilicio, titanio, niobio, tungsteno, aluminio, oro y plata. 1ambien se emplea para formar películasdelgadas de materiales refractarios como carburos, boruros y nitruros en las superficies deerramientas met#licas, para feriar películas lubricantes suaves como las de disulfuro de molibdeno, ypara aplicar cubrimientos aorradores de energía a vidrio arquitectónico.

&n la depositación de vapor químico, la superficie se recubre con un compuesto químico vol#til y estable

a una temperatura por deba%o del punto de fusión de la superficie. &ntonces, el compuesto sufre alg'ntipo de reacción química para formar un recubrimiento aderente estable.

Otras Aplicaciones de La Cerámica

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