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Tanya R. Guillen Estrada
Diego Elihú Chávez González
Conductores iónicos
Se puede considerar como un conductor iónico un material cristalino con altos valores
de conductividad que se puedan comparar con un electrolito. Tales sólidos cristalinos
se usan en los acumuladores y unidades de energía portátiles; por ejemplo, en las
baterías. Con la aplicación de estos conductores iónicos, se ha generado una nueva
rama de estudio conocida como la micro iónica; en la cual, cuando el conductor iónico
entra en contacto con el flujo de electrones, la red se comporta como una sola celda y
las cargas actúan simultáneamente entre muchas de ellas formando un arreglo de una
alta densidad estructural. Esta densidad es causada por las grandes magnitudes de
fuerzas químicas que actúan dentro de la red cristalina.
Cuando en el sólido tiene una alta densidad estructural, se vislumbra y la movilidad
iónica se empieza a hacer más compleja, ya que según lo explicado por primera vez
por Joffe, los defectos de redes cristalinas y los iones intersticiales pueden dar la
conductividad, luego esto lo explico de manera acertada Schottky, como los defectos
de Schottky , explicando que hay igual número de vacancias que aniones y cationes
dentó de una celda/compuesto en donde hay 2 diferentes tipos de átomos integrando
la celda.
Lo que se suscita dentro de una red formada por un conductor iónico es que existe
una gran concentración de especies móviles en una estructura fija que posee una
energía de activación demasiado pequeña para los iones.
Pueden clasificarse de varias maneras; por ejemplo, el tipo de iones que se mueven, o
las simetrías estructurales que poseen.
El yoduro de plata es un claro ejemplo de un conductor iónico al ser un sólido que
presenta un arreglo tipo cubico centrado en el cuerpo que puede conducir las cargaras
eléctricas por arriba de los 147°C sin mayor problema. Posee un punto de fusión de
550°C.
Las baterías de estado sólido tienen un potencial increíble debido a que funcionan en
un rango de temperaturas amplio, tienen una vida útil larga, es posible hacerlas muy
pequeñas y son a prueba de derrames. Algo a resaltar es que existe la posibilidad de
crear baterías de estado sólido recargables.
Las baterías de LiFePO4 ejemplifican una de las aplicaciones con más futuro de los
conductores iónicos; esto debido a que ofrece una solución ecológica, con mayor
durabilidad y una diferencia de potencial de descarga constante. Su única desventaja
frente a otras baterías de Li es que su densidad de carga se ve reducida en un 30%.
La perovskita es un material que también tiene aplicaciones importantes; por ejemplo,
se utiliza en dispositivos conductores óxido-ion llegan a lograr un descenso de la
temperatura de operación de los dispositivos.
Referencias:
http://ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/ceramicas-y-vidrios/bloque-iv/Bloque_IV-Conductores_ionicos.pdf
http://ingenieria.uao.edu.co/hombreymaquina/revistas/10%201995-
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Phys. Rev. B 25, 2010 (1982) - Comment on "State of order in $\ensuremath{\alpha}$-AgI"
S. Hoshino and H. Fujishita
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T. Sakuma
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Smart, Lesley. Moore, Elaine. (2005). Solid State Chemistry. An Introduction. 3rd Ed. Taylor & Francis group. p.p 201-281
CRISTALES LÍQUIDOS
Descripción general Un cristal líquido es una fase termodinámicamente estable entre las fases sólida y líquida por lo que también se conoce como mesofase. Posee propiedades físicas, ópticas y estructurales que son de tipo anisotrópicas, lo que significa que depende de la dirección desde la que se considere la sustancia. El ordenamiento de la mesofase no es tan definido como en el caso de las redes cristalinas ya que esta está formada por capas de moléculas orgánicas en forma de barra o varilla que poseen cierta rigidez gracias a sus sustituyentes fuertemente polares. Los cristales líquidos son capaces de adoptar la forma del recipiente que lo contiene como en el caso de los líquidos, sin embargo siempre se mantiene el ordenamiento de las capas.
Aplicaciones Pantallas de cristal líquido/imagen óptica: Se utilizan en pantalla plana de televisores, computadoras, proyectores, relojes, calculadoras. Esto debido a sus propiedades ópticas y eléctricas.
Sensor térmico: Su uso como sensor de temperatura puede aplicarse en averías de impresos, soldaduras, en medicina se utiliza como herramienta médica para la detección de tumores.
Membranas celulares: sistemas vivos, membranas celulares y tejidos. Compuestos de fosfolípidos (cristales líquidos liotrópicos).Este mismo principio se utiliza en detergentes, cosméticos y simulación de
biomembranas.
Descripción estructural Las distintas propiedades que tienen los cristales líquidos se deben a las múltiples estructuras que presentan cada una con características distintas. Podemos obtener cristales de dos formas: sometiendo al compuesto a cambios considerables de temperatura o bien, haciendo uso de disolventes. Cristales líquidos termotrópicos: Se forman cuando partimos de un líquido y se disminuye su temperatura o bien cuando se aumenta la temperatura de un sólido. Cuando un compuesto puede transformarse a cristal líquido de cualquiera de las dos formas recibe el nombre de enantrópico; por otro lado si solo puede transformarse de una u otra forma se llama monotrópico. Esta variación de temperatura provocará interacciones o fuerzas de dispersión entre las moléculas que se encuentran empaquetadas en capas ordenadas.
Este tipo de cristales líquidos pueden clasificarse de acuerdo a su ordenamiento o fase:
Nemática: Las moléculas no tienen orden posicional pero están orientadas en una misma dirección. Bajo el microscopio esta fase presenta líneas con discontinuidades con tamaño suficiente para dispersar la luz.
Colestérica: Es un conjunto de capas con las características de la fase nemática, girando sobre un eje perpendicular a estas capas moleculares Este cambio es debido a la quiralidad que poseen las moléculas orgánicas de esta fase en específico, este ordenamiento da como resultado una macroestructura helicoidal que es capaz de dispersar la luz selectivamente en diferentes colores. Cabe mencionar que recibe el nombre de colestérica por ser la fase del primer cristal líquido descubierto: benzoato de colesterilo en 1888 por Friedrich Reinidzer.
Esméctica: Las moléculas mantienen el orden orientacional de la fase nemática pero también tienden a alinearse ellas mismas en planos o capas de tal modo que pueda pasar un plano entre las capas. Este deslizamiento de planos o capas le da una gran viscosidad a la fase. La fase esméctica presenta birrefringencia, es decir que posee 2 índices de refracción por lo que la velocidad de la luz que pasa a través de un cristal líquido esméctico depende de la dirección en que se haga incidir la luz.
Cristales líquidos liotrópicos: Se forman al disolver un compuesto en el disolvente adecuado (a condiciones de temperatura y concentración dadas) por lo que dependen directamente del disolvente que se utilice. Son sustancias anfifílicas, lo que significa que tienen una parte liofilica que absorbe el disolvente y una parte liofóbica que lo repele. Esto hace que se formen estructuras micelares en presencia de un disolvente, puesto que los extremos liofóbicos permanecerán juntos a medida
Figura 1 Fases termotrópicas (de izquierda a derecha);
esméctica, nemática y colestérica.
CRISTALES LÍQUIDOS
que los extremos liofilizados se extienden hacia fuera hacia la solución. Las propiedades físicas de la mesofase dependen del ordenamiento de la misma. Se pueden tener 3 calses de ordenamiento para las moléculas que forman un cristal líquido: *Orden orientacional (OO): Se tiene cuando los ejes simétricos de los objetos ordenados están, en promedio, paralelos a una dirección espacial bien conocida. Este orden es función de la temperatura. *Orden posicional o traslacional (OP): En este tipo de orden el sistema permanece invariante bajo la traslación del mismo. El arreglo de las moléculas exhibe periodicidad. *Orden de orientación de enlace (BOO): En el caso de los cristales líquidos, un enlace se concibe como una línea en el espacio que une a 2 moléculas adyacentes. Se tiene este ordenamiento si la orientación de estos enlaces es preservada en un amplio rango. Descripción fenomenológica La fase colestérica está conformada de moléculas quirales alineadas en capas similar al arreglo en la fase nemática, dichas capas están rotadas unas respecto a las otras (esta rotación se debe a la quiralidad de las moléculas), lo que hace que se forme, macroscópicamente, una estructura helicoidal en esta fase del cristal líquido. Esta estructura es un sensor de temperatura (helicoidal) que difracta la luz selectivamente; el giro de las capas y por lo tanto la longitud de onda que es difractada por el cristal líquido dependen de la temperatura y gracias a esta dependencia es posible medir con precisión la temperatura de un cuerpo simplemente mirando el color que tome el cristal líquido, este es el color de la luz en la longitud de onda que coincide con el periodo espacial de la estructura helicoidal. Debido al orden que presenten las moléculas dentro de un cristal líquido, estos son utilizados como disolventes anisotrópicos para el estudio de propiedades fisicoquímicas, por ejemplo, la fase nemática, en la que las moléculas pueden ser orientadas homogéneamente por un campo magnético, es utilizada como solvente en resonancia magnética nuclear (RMN). Igualmente, los cristales líquidos aportan un medio anisótropo en los cuales se pueden llevar a cabo reacciones químicas de particular interés. Gracias a la capacidad de los cristales líquidos nemáticos para dispersar la luz, se puede conocer el papel que juegan los cristales líquidos en el funcionamiento de las pantallas.
Primero, se proyecta un haz de luz al primer filtro con el fin de polarizar la luz, esto cambiará el ángulo de vibración de cada molécula y se propagará este cambio a las moléculas posteriores hasta llegar a la última capa donde la luz llega con el mismo patrón de polarización del último vidrio polarizado y la luz logra salir. Por otro lado, cuando se aplica un voltaje al cristal líquido utilizando un par de electrodos, la vía que propagaba la luz de forma helicoidal se destruye y las moléculas quedan alineadas de un mismo modo. La nueva vía que recorre la luz no coincide con la dirección de polarización del último vidrio polarizado, por lo tanto, la luz no pasa a través del filtro y esto hace que el píxel no se encienda.
Bibliografía:
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termotrópicos”. Vol. 13, No2.
*Kumar, S. “Liquid Crystals: Experimental study of physical properties
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*Linsensky, G and Boatman, E.(September 2005). “Colors in liquid
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*Glenn H. Brown (Octubre 1983 ) “chem I supplement “ Vol.60, N°10
“Liquid Crystals-The Chameleon Chemicals” Liquid Crystal Institute,
Kent State University
Referencias (internet):
*6. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS PANTALLAS DE
CRISTAL LÍQUIDO (LCD). Archivo PDF , recuperado el
[11/05/2017].
*Introduction. “Chemistry of liquid crystals and their industrial applications”. Archivo PDF, recuperado el [15/05/2017].
Figura 2: Paso de luz polarizada a través de un cristal
líquido. Sin voltaje (izquierda), aplicándole un voltaje
(derecha)
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Cuasicristales Cisneros Hernández Erick Nazario & Felipe León Garcilazo
El buen orden es la base de todas las cosas
buenas.
-Edmund Burke
DESCRIPCIÓN GENERAL
Los cristales muestran una perfecta
simetría traslacional, la cual introduce una
interesante selección de reglas que
pueden ser aplicadas útilmente en la
interpretación de experimentos así como
el modelamiento teórico.
Los cuasicristales son materiales que no
tiene un orden de largo alcance no
periódico, por lo que se descarta de ser
considerados sólidos amorfos.
Pero si se puede hablar de un orden de
largo alcance perfecto, pero no presentan
periodicidad traslacional tridimensional.
Ilustración 1: Cuasicristal de Al-Pd-Re.
II.APLICACIONES TECNOLÓGICAS
Ahora la pregunta sería ¿se podrían
utilizar las propiedades de
los cuasicristales en algún rubro? la gran
mayoría de estos compuestos o
aleaciones tienen propiedades
de resistencia al conducir energía
térmica, así también si se baja la
temperatura va aumentando la
conductividad eléctrica e inversamente
disminuye. Esto tendría aplicaciones en la
termometría, ya que si se recubre a un
metal con un material
cuasicristalino, podría
mejorar propiedades termoconductoras
en los motores haciéndolos más
eficientes. Al campo de la Química de
superficies le interesa estudiar este tipo
de propiedades. Por otro lado, al poseer
los QCs propiedades magnéticas, son
materiales que a partir de la temperatura
en aumento ocurre un cambio en sus
propiedades magnéticas, lo cual hace que
sean útiles en dispositivos electrónicos.
En suma, si se hacen aleaciones,
aprovechando las propiedades de cada
QCs, se pueden tener varias propiedades
tales como: reducción de
humedad, disminución del coeficiente de
fricción, alta dureza, elevada resistencia a
la corrosión, inertes, lo que hace que sean
útiles en el recubrimiento de superficies si
hablamos de resistencia al abrasión No
obstante, a temperatura ambiente los
QCs son quebradizos debido a su bajo
valor a la tenacidad de la fractura.
III. DESCRIPCIÓN FENOMENOLÓGICA
Como se sabe solo hay 230 grupos
espaciales, los cuales incluyen a las redes
de Bravais, los grupos puntuales y los
siete sistemas cristalinos. Esto quiere
decir que no cualquier grupo puntual
puede ser tomado y combinado con las
operaciones de simetría traslacional, por
ejemplo; las rotaciones que involucran
giros de orden cinco o superior a
seis están prohibidos para la
cristalografía. Las figuras pentagonales
cuyos ángulos entre los vértices son
iguales a 108° los que es iguala 3.333…
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veces 2π; entonces es posible repartir
tres pentágonos, más una brecha extra de
36° lo que da un punto de frustración.
Ilustración 2: Frustración de una simetría de traslación.
Los ingredientes básicos para la
generación de un cuasicristal son las
siguientes:
1. Orden Traslacional Periódico. La función
densidad es cuasiperiodica, y esto puede
ser expresado como la suma finita de
funciones periódicas con algunos
periodos inconmesurados.
2. La separación mínima entre los átomos.
Esto distingue a los cuasicristales de un
simple conjunto de sitios obtenidos por la
superposición de dos celosías periódicas,
con periodos cuya proporción es irracional
3. Orden de orientación. Los ángulos de
enlace entre átomos vecinos, o grupos,
tienen orden de largo alcance
correlacionado y orientado, en promedio,
a lo largo de un conjunto de ángulos
“estrella” que definen el orden
orientacional.
IV. RELACIÓN ESTRUCTURA-
PROPIEDADES
Las aleaciones de cuasicristales poseen
propiedades de resistencia térmica, así
como eléctrica. Por ejemplo, el AlFeCu y
AlPdMn a temperatura ambiente, su
conductividad térmica es pequeña, si lo
comparamos con el aluminio, es de un 2
veces menos de su magnitud, y la
zirconia que es considerado uno de los
mejores aislantes térmicos, sería de un
orden de uno y medio menos aislante. Por
el contrario, si se aumenta la temperatura
incrementa la conductividad térmica. La
composición química e imperfección en la
estructura cuasicristalina, tal como
defectos o cambios en la estequiometria
ideal dan pauta a que aumente la
conductividad térmica. Otra característica
importante es la conductividad eléctrica
que a aumenta a bajas temperaturas, e
inversamente disminuye y por tanto, la
resistencia eléctrica aumenta. Por otra
parte, también los cuasicristales
presentan características magnéticas,
debido a que en su red contienen
elementos de transición. De igual
forma, se ha observado que conforme se
va aumentando la temperatura a partir de
50°C, por debajo de su punto de fusión
ocurre una transición de diamagnético a
paramagnético en un QCs. Por último se
habla de dos tipos de estructuras en los
QCs, pueden ser icosaedros o
poligonales. Dependiendo de su acomodo
de sus átomos a partir de la combinación
de varios QCs poseen propiedades
interesantes descritas anteriormente, un
ejemplo son el decagonal, Al-Co-Cu y el
icosaedro, Al-Pd-Mn.
Bibliografía.
-Janot,C. (1992). Quasicrystals. U.S.A:
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-Dubois, M. (2005). Useful Quasicrystals.
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Physical Chemistry, Vol. 2, número 2., pp.
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-Trebin, H.. (2003). Quasicrystals,
Structure and physical properties.
Alemania: Wiley-VCH.
DIODOS
Los materiales electrocerámicos contribuyen
pasiva o activamente como componentes en
un amplio rango de aplicaciones
electrotécnicas, eléctricas o electrónicas. Los
semiconductores cerámicos permiten el paso
de corriente eléctrica bajo determinadas
condiciones. La corriente eléctrica puede estar
constituida por electrones o huecos como
portadores electrónicos, por iones o ser del
tipo mixta.
Figura 1 Representación de un diodo en un circuito eléctrico
Un diodo puede definirse como un conductor
casi unidireccional en el cual el estado de
conductividad se determina mediante la
polaridad de la diferencia de potencial entre
sus terminales.
EL diodo ideal es un dispositivo perfecto con
dos estados que muestra una impedancia cero
cuando la polarización es directa y una
impedancia infinita cuando la polarización es
inversa. Como la corriente o diferencia de
potencial es cero en cualquier instante, no
existe potencia disipada en un diodo ideal.
El dispositivo tiene dos terminales llamadas
ánodo (tipo p) y cátodo (tipo n). Cuando el
voltaje terminal es no negativo, se dice que el
diodo tiene polarización directa o esta
“encendido”; la corriente positiva que fluye se
llama corriente directa. Cuando la diferencia de
potencial es positiva se dice que el diodo esta
en polarización inversa o “apagado”, la
corriente negativa pequeña correspondiente
recibe el nombre de corriente inversa.
Los diodos aplicables en estado sólido son
aquellos hechos de silicio y que están dopados
de tal forma que tienen una unión metalúrgica
de metales de tipo n y p. Un material de tipo p
es un elemento del grupo cuatro, impurificado
con una pequeña cantidad del material de tipo
cinco; el material de tipo n es un elemento
base del grupo cuatro impurificado con un
material del grupo tres.
Figura 2 Unión tipo p-n
Cuando se juntan los cristales de los
semiconductores tipo p y tipo n para formar
una unión p-n, los electrones empiezan a fluir
del lado n al lado p para minimizar el gradiente
de concentración, esto continuará hasta que
un nuevo nivel de energía de Fermi se
establezca. Dado que los electrones están
cargados negativamente la dirección de la
corriente asociada con su movimiento es
opuesta a la dirección con la que realmente se
mueven. La dirección de la corriente asociada
con la difusión de los electrones es del lado p
hacia el lado n de la unión tipo p-n.
Un material dopado tiene una concentración
más alta en huecos en el lado p que en lado n,
es por esto que cuando una unión p-n es
formada los huecos se difunden del lado p al
lado n. Dado que los huecos son partículas
positivamente cargadas la corriente inducida
debido a su movimiento es en la misma
dirección en la que se mueve.
Figura 3. Bandas de energías de una unión p-n
Pérez Frías Leonardo Ernesto
Vásquez Matías Jessica Itxel.
Algunos tipos de diodos son:
Diodo Estructura Características Aplicaciones
Rectificador Unión pn Redes de dos puertos en las que se aprovecha la conducción unilateral del diodo: una diferencia de potencial de corriente alterna se aplica en el puerto de entrada y aparece una diferencia de potencial de corriente directa en el puerto de salida. El circuito rectificador más simple contiene un diodo sencillo
Conversión de corriente alterna a corriente directa
Schottky Unión de un metal a un semiconductor
Tiempo de almacenamiento minoritario cercano a cero.
Moduladores, generadores de onda, detectores.
Tunnel Unión pn con un dopaje muy alto
Tiene una región de resistencia negativa Oscilador de amplia frecuencia, amplificador
pin Regiones p y n separados por una región intrínseca
Tiene un tiempo largo de almacenaje por lo que convierte al diodo en un resistor RF
Forman atenuadores
Zener (Referencia)
Unión pn dopada especialmente para regular ΔV
Tiene su uso principal como regulador de diferencia de potencial o referencia. La característica de conducción directa es muchas veces la misma que la de un diodo rectificador; sin embargo, este opera normalmente con polarización inversa, en cuyo caso su característica es radicalmente diferente
Fuente de referencia de ΔV
Capacitancia de ΔV variable
Diodo pn con empalme graduado para producir una capacitancia deseada respecto a una variación reversible de ΔV
Cambio grande en la capacitancia con un cambio reversible de diferencia de potencial.
Reemplaza los capacitores regulados mecánicamente
Otra aplicación importante de los diodos son los
emisores de luz, que son de hecho el inverso de
celdas fotovoltaicas, en los LEDS se aplica una
diferencia de potencial a través de una unión p-
n para producir luz.
En la figura 3 se puede observar la unión p-n en
un semiconductor como GaAs. La estructura de
bandas corresponde en la unión en la oscuridad
y sin aplicación de campo eléctrico. Si se aplica
un campo eléctrico de manera que el tipo n se
hace negativo con respecto al tipo p, los
electrones fluirán del tipo n al tipo p. Un electrón
de la banda de conducción que se mueva hacia
el lado del tipo p puede caer en una de las
vacantes de la banda de valencia en el lado p,
emitiendo un fotón en el proceso. Los
semiconductores con banda prohibida directa
son los que generalmente se utilizan en tales
dispositivos. Se pueden obtener diferentes
colores utilizando semiconductores con bandas
prohibidas distintas.
Cuando el campo eléctrico hace que los
electrones de conducción se desplacen a través
de la unión p-n, lo que resulta es que la
población de la banda de conducción es mayor
que aquella en equilibrio térmico. Un exceso de
electrones en estado excitado es una
característica esencial de los láseres y hay
varios láseres de semiconductores que se
basan en la unión tipo p-n.
BIBLIOGRAFIA
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Mexico: McGraw-Hill. TK7867.
-Deboo, G. Burrous, C. (1977) Integrated circuits and
semiconductor devices: theory and application. 2° ed.
USA: McGraw-Hill.
-Fulay, P. (2010). Electronic, magnetic and optical
materials. USA: CRC Press.
-Smart, L. y More, E. (1995) Química del estado sólido.
USA: Addison-Wesley.
-West, A. (1992). Solid state chemistry and its
applications. Gran Bretaña: John Willey & sons.
García Uribe Pedro Juvenal Vázquez Cuevas José Germán
PIEZOELECTRICIDAD
El término que describe la propiedad
de ciertos cristales (o redes
cristalinas) que al recibir una tensión
compresiva o extensiva llegan a
polarizarse eléctricamente se le llama
PIEZOELECTRICIDAD.
¿Cómo sucede el efecto
piezoeléctrico?
Al aplicar una presión sobre un
material dieléctrico[a], este se contrae,
sus átomos y moléculas cambian de
tamaño y se forman dipolos
eléctricos. Esta polarización[b]
produce una diferencia de potencial
entre los extremos del material, a
esto es lo que llamamos
piezoelectricidad.
Si un cristal se solidifica alrededor de
la temperatura de Curie en presencia
de un campo eléctrico, los dipolos
tienden a alinearse en la dirección
del campo, si este cristal es
comprimido la red cristalina tiende a
deformarse, introduciendo cambios
en el momento dipolar del cristal
(efecto piezoeléctrico)
Hay diferentes tipos de efecto
piezoeléctrico:
El efecto piezoeléctrico directo es
cuando se aplica una fuerza de
compresión a cierto cristal, el cual
desarrolla un momento eléctrico
proporcional a la fuerza aplicada.
Por otro lado, si este cristal es
sometido a un campo eléctrico, la
forma de la red cristalina cambia
levemente como consecuencia
termodinámica del esfuerzo directo, a
esto se le conoce como efecto
piezoeléctrico opuesto.
La piezoelectricidad se puede dar
también en las redes cristalinas
metálicas, los metales poseen ya una
polarización espontánea y el efecto
piezoeléctrico nos muestra ligeros
cambios en esta polarización.
¿Cómo son los materiales
piezoeléctricos?
Los materiales piezoeléctricos son
cristales naturales o sintéticos que
no poseen centro de simetría. El
efecto de una compresión o de un
cizallamiento[c] consiste en disociar
los centros de gravedad de las cargas
positivas y de las cargas negativas.
Aparecen de este modo dipolos
elementales en la masa y, por
influencia, cargas de signo opuesto
en las superficies enfrentadas.
Pueden distinguirse dos grupos de
materiales: los que poseen carácter
piezoeléctrico de forma natural tales
como el cuarzo y la turmalina, y los
llamados ferroeléctricos, que
presentan propiedades
piezoeléctricas tras ser sometidos a
una polarización algunos materiales
que la presentan son tantalio de litio,
nitrato de litio, bernilita en forma de
materiales monocristalinos y
cerámicas o polímeros polares bajo
forma de microcristales orientados.
Otros materiales cerámicos
fabricados a partir de disoluciones
sólidas de PbZrO3 y PbTiO3, de los
cuales en la figura 15.19 puede
apreciarse un diagrama parcial de
fases de un buen material
piezoeléctrico
García Uribe Pedro Juvenal Vázquez Cuevas José Germán
¿Cuáles son las aplicaciones de
estos materiales?
Hay una gran variedad de
aplicaciones para los piezoeléctricos
ya que se pueden utilizar para:
Sensores, Reloj de cuarzo, Filtros
SAW, Líneas de retardo, Cápsula
(Pick-up) de tocadiscos, Motores
piezoeléctricos, Transductores
ultrasónicos (como los cabezales de
los ecógrafos), Sensores de vibración
en guitarras eléctricas. Encendido
electrónico de estufas a gas.
Encendedores o mecheros electricos.
Una de las aplicaciones más
conocidas cotidianamente de este
tipo de cristales son los
encendedores electrónicos. En su
interior llevan un cristal
piezoeléctrico que es golpeado de
forma brusca por el mecanismo de
encendido. Este golpe seco provoca
una elevada concentración de carga
eléctrica, capaz de crear una chispa
que encenderá el mechero.
Algunas ventajas y desventajas de los
piezoeléctricos:
Ventajas:
o Energía limpia
o Energía renovable
o Económica
o Accesible
Desventajas:
Producen poca energía
Necesitan de una energía
mecánica externa
[a]: Material mal conductor de la electricidad.
[b]: aplicación de un campo eléctrico que orientan en
una misma dirección
las cargas. [c]: Fuerza aplicada o presión ejercida sobre una
superficie
Bibliografia:
Richard J. Borg, G. J. Dines.
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West, Anthony R. Solid State
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applications. (1st ed.). USA:
1984.
Daniela Camacho Juárez
Alejandro Padilla González
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO
FACULTAD DE QUIMICA
QUIMICA DEL ESTADO SOLIDO
FERROELECTRICOS
La ferroelectricidad se puede definir como la reversibilidad de los dipolos eléctricos espontáneos de
un cristal, mediante la aplicación de un campo eléctrico.
Los ferroelectricos son materiales cerámicos que poseen un momento dipolar incluso en ausencia
de un campo eléctrico externo. Esta polarización se debe a que el centro de la carga positiva y la
negativa no coinciden, su dirección se puede cambiar de forma reversible por un campo transitorio
adecuado. Las dos formas de ferroelectricos se clasifican como de tipo desplazativo y de tipo orden-
desorden. El cambio reversible en la dirección Ps (polarización espontanea) en el caso del tipo
desplazativo tiene una estructura tipo perovskita, en estos casos el ion ocupa una posición
ligeramente desfasada del centro de la red tetragonal, lo que provoca una polarización en dirección
al eje mayor. Ejemplo BaTiO3 el cual a una temperatura por encima de 120°C tiene una red cúbica
con un arreglo simétrico de sus iones en este rango de temperatura el material se comporta como
un paraeléctrico, la red cúbica se transforma en tetragonal con c/a = 1.01 alrededor de 120°C.
Los que tienen una transición de orden-desorden, tipificados por tener enlaces de puentes de
hidrógeno (KH2PO4) 4 el tetraedro formado por el PO4 está centrado en la estructura tetragonal
tipo diamante estos están rodeados por el potasio K. En el estado paraeléctrico están centrados
entre los iones de PO4, en el estado de ferroeléctrico los iones de hidrógeno (protones) toman una
posición preferencial entre las redes del dominio, donde los dos iones de hidrógeno están muy cerca
de cada ion de PO4. En un dominio pueden estar muy cerca sobre el los iones de oxígeno y en otro
por debajo de estos. La Ps de los ferroeléctricos de este tipo es un 10% de la Ps de los de estructura
perovskita. Existen otros como las sales de Rochelle (sales del ácido tartárico) la estructura de estas
sales son muy complejas pero poseen valores muy altos en su constante dieléctrica por eso son
utilizados para muchas aplicaciones de ferroeléctricos. Es decir; si se puede propagar en el cristal
durante la transición, se trata de un modo de desplazamiento. Si no hay propagación no hay un
fotón, sólo saltos de gran amplitud entre los pozos de potencial del sistema de orden-desorden.
De esta forma se estudian materiales cerámicos ferroelectricos que se utilizan como materiales:
dieléctricos, piezoeléctricos, electroestrictivos, piroeléctricos, PTCR, electroópticos o
fotoelectrolíticos.
a) Dieléctrico: Alta constante dieléctrica y su variación con la temperatura y el campo eléctrico.
[Condensadores].
b) Piezoeléctrico: La variación de polarización o carga eléctrica con una tensión mecánica produce
un campo eléctrico (efecto directo). La aplicación de un campo eléctrico produce una deformación
mecánica (efecto inverso). [Transductores electromecánicos].
c) Electroestrictivo: La deformación mecánica que provoca un campo eléctrico posee una forma
cuadrática, no presentando dependencia con la polaridad del mismo. [Actuadores
electromecánicos].
d) Piroeléctrico: Variación de la polarización eléctrica espontánea con la temperatura. [Detector de
radiación infrarroja].
e) PTCR: Coeficiente positivo de resistividad en función de la temperatura para un cierto intervalo
de ésta. [Termistor].
f) Electroóptico: Variación del índice de refracción con el campo eléctrico y la radiación luminosa.
[Memorias ópticas y puertas luminosas].
g) Fotoelectrolito: La creación por la luz de pares electrón-hueco de energía suficiente para disociar
la molécula de agua. [Producción de H2].
Aplicaciones:
Los materiales ferro-eléctricos pueden ser usados para hacer capacitores variables. Los capacitores
más comunes consisten en dos electrodos planos separados por una capa de un material ferro-
eléctrico.
Los ferro-eléctricos también tienen la propiedad de cambiar su capacitancia con mínimos cambios
de temperatura lo cual los hace sumamente útiles para fabricar termopares que son muy usados en
análisis térmicos.
La polarización espontanea de los materiales ferro-eléctricos es debida un efecto histéresis, que es
la capacidad de un material de mantener algún estado distinto al basal en ausencia del estímulo que
lo ha generado, en este caso se puede polarizar un material ferro-eléctrico y este mantendrá la
polarización con un mínimo voltaje; esto se utiliza para fabricar partes de computadora como
memorias RAM y procesadores con mejores capacidades.
Descripción fenomenológica:
En general, la polarización de los materiales es casi exactamente proporcional al campo eléctrico
aplicado, los materiales ferro-eléctricos no se polarizan de manera linear, si no que conservan el
dipolo aun cuando se deje de aplicar el campo eléctrico. Muchos materiales presentan esta
propiedad bajo una temperatura de transición, esta temperatura se conoce como la temperatura
de Curie (Tc).
La explicación física está basada en la teoría Ginzburg-Landau. Esta teoría parte de que la energía
libre de un ferro-eléctrico en ausencia de un campo eléctrico puede ser expresada con una serie
de Taylor, esto quiere decir que nunca es cero. Cuando un ferro-eléctrico es sometido a un campo
eléctrico ocurre una polarización espontanea que se conserva aún después de quitar el campo
eléctrico, esto es debido a las transiciones de niveles de energía de los electrones, que siguen
inestables por efectos magnéticos, y permiten que el sistema siga polarizado durante cierto
tiempo.
Bibliografía:
- Huhey, James E., Keiter, E. A. y Keiter, R. L., Química Inorgánica, 4ed. México, Harla,
1997.
- Articulo: Materiales cerámicos ferroelectricos y sus aplicaciones, J.F. FERNANDEZ, P.
DURAN Y C.MOURE Departamento de Electrocerámica, Instituto de Cerámica y Vidrio,
CSIC, 28500 Arganda del Rey, Madrid, BOL. SOC. ESP. CERAM. VIDR. 32 (1993), i, 5-15
- Rayner-Canham, G., Química Inorgánica Descriptiva, 2a ed. México, Addison Wesley,
2000.
West Anthony R., Solid state chemistry and its applications, 2ª ed India, Willey, 2014.
Laser
Gutierrez Duran Alejandro MarcelinoPerez Cruz Dalia Lucıa
La palabra laser viene del acronimo en ingles LightAmplification by Stimulated Emission of Radiation quese traduce como: amplificacion de la luz mediante laemision estimulada de radiacion. El fenomeno del laserresulta de un gran numero de electrones promovidosa niveles de energıa superiores y posteriormente estoselectrones regresan a niveles de energıa inferiores y co-mo resultado emiten un haz de luz coherente.
En los procesos de generacion de radiacion electro-magnetica se presentan dos tipos diferentes de emision;La denominada emision espontanea, que depende delas propiedades intrınsecas de los atomos emisores, porlo que ocurre aleatoriamente. En este caso, los fotonesemitidos por los diferentes atomos no tendran ninguntipo de relacion o sincronıa, produciendo como resul-tado un haz de luz conformado por trenes de onda conamplitud y fase sometidas a fluctuaciones aleatorias,en consecuencia, ocurre lo que se denomina haz de luzincoherente.
Una onda monocromatica perfecta presenta la pro-piedad de poseer un espectro de frecuencia conformadapor una sola lınea de ancho nulo. Si para un tren deondas monocromaticas infinitamente largo con frentede onda plano, la diferencia de fase entre dos puntosseparados a una distancia L resulta independiente deltiempo, decimos que el haz es coherente en el tiem-po (coherencia temporal). Si se suponen dos haces deluz incoherentes temporalmente originados en lugaresdiferentes de una fuente, la fase entre dichos haces pue-de experimentar una variacion brusca y aleatoria, es-te hecho define la incoherencia espacial. La coherenciaespacial por otra parte tiene que ver con el comporta-miento en el tiempo que presentan las diferencias defase para las ondas que conforman el haz de luz; porejemplo, si se toman dos puntos de la seccion transver-sal del haz (por donde transitan dos ondas diferentes) yse determina que la diferencia de fase entre estos pun-tos se mantiene constante con el tiempo, se habla decoherencia espacial perfecta.
La amplificacion de la luz en su transmision esposible a traves de un medio debido al proceso deemision estimulada, donde participa una especie activay la energıa almacenada en el medio se libera comoradiacion de luz, sumandose a su intensidad. Un laserde estado solido comunmente contiene iones de metalesde transicion como especie activa, por ejemplo, el laserde rubı es esencialmente Al2O3 dopado con pequenascantidades de Cr3+, mientras que el laser de vidriode neodimio es un vidrio dopado con iones Nd3+,estos laseres son basicamente un solido luminiscentecon caracterısticas especiales. El proceso de excitacioninvolucra bombear los centros activos a en estadoexcitado que tiene un tiempo de vida razonablemente
largo, a este fenomeno se le conoce como inversion dela poblacion, pues en ese momento hay mas electronesen el estado excitado que en el estado basal. Durantela luminiscencia, la luz emitida por un centro estimulaotros a decaer en fase con la radiacion emitida por elprimer centro, de este modo, un intenso rayo o pulsode radiacion coherente es construido.
Laser de Rubı
El laser de rubı tiene la forma de barra, con sus ex-tremos planos, paralelos y muy pulidos. Estos extremosse recubren con plata, de modo que uno sea totalmentereflejante y el otro parcialmente transparente. El pri-mer sistema laser de rubı fue reportado en 1960 porMaiman, desde entonces, se ha desarrollado una ampliaarea de la ciencia moderna y tecnologıa con aplicacio-nes en fotografıa, cirugıa, comunicaciones, medicionesprecisas, etc.
El rubı es una especie de corindon, α − Al2O3 quedebe su caracterıstico color rojo a la presencia de cro-mo (Cr3+). El corindon cristaliza en un sistema rom-boedrico (tambien llamado trigonal). Donde algunosiones Al3+ (desde un 0,04 % para el rubı rosa palidohasta 0,5 % en el rojo oscuro) son reemplazados por io-nes Cr3+ (Fig1). Debido a que las cargas de los ionesson las mismas y el radio del Cr3+ (0.69A) no es muydiferente al del Al3+ (0.57A), el Cr3+ puede reempla-zar pequenas cantidades de Al3+ sin producir tensionesindebidas en el cristal.
Figura 1: Estructura del Rubı[1]
Cuando un ion de Cr3+ se encuentra en el centro deloctaedro distorsionado de iones O2− en la estructuratipo corindon, los electrones de Cr3+ se encuentran ba-jo un fuerte campo electrostatico debido a las cargasnegativas que lo rodean, en consecuencia, los niveles
1
energeticos permitidos del Cr3+ se ven modificados deacuerdo a la teorıa de campo cristalino. Las transicio-nes entre estos niveles energeticos tienen como conse-cuencia muchos efectos interesantes en el espectro delrubı (Fig2.)
Figura 2: Transiciones permitidas del Cr3+[1]
El rubı se ilumina con una lampara de xenon. Antesde la exposicion a la luz, practicamente todos los ionesCr3+ ocupan el estado fundamental. Sin embargo, losfotones de longitudes de onda de 5560A de la lampa-ra de xenon excitan los electrones de los iones Cr3+
y promueva la transicion electronica. Estos electronespueden caer al estado fundamental por dos diferentescaminos. Algunos caen directamente y las emisiones defotones asociadas no forman parte del rayo laser. Otroselectrones caen a un estado intermedio metaestable,donde pueden permanecer durante unos 3 ms antes dela emision espontanea (camino MG). En terminos delos procesos electronicos, 3 ms es un tiempo relativa-mente largo, lo que significa que un gran numero deestos estados metaestables pueden ocuparse.
La emision inicial y espontanea de fotones porunos pocos de estos electrones es el estımulo quedispara una avalancha de emisiones de los electronesque ocupan posiciones metaestables. Algunos de losfotones que se desplazan paralelamente el eje de labarra de rubı cruzan el extremo parcialmente plateadoy los que inciden en el extremo totalmente plateadose reflejan. El rayo de luz cruza rapidamente la barrade rubı y su intensidad se incrementa a medida queaumenta la estimulacion de las emisiones. Finalmente,del extremo parcialmente plateado de la barra sale unrayo de luz laser de corta duracion, de alta intensidad,coherente y altamente colimado; este haz de luz ro-jo monocromatico tiene una longitud de onda de 6943A
Laseres de Semiconductores y Tierras Raras
Los laseres de semiconductores funcionan de maneramuy diferente. El bombeo ocurre por una entradadirecta de energıa electrica, y puede ser tan eficienteque una transicion definida debilmente entre los nivelesde energıa produce una lınea espectral suficientementeangosta. El voltaje aplicado al material excita loselectrones desde la banda de valencia a la banda deconduccion, pasando por el intervalo prohibido y apa-recen huecos en la banda de valencia, entonces, unospocos electrones y huecos se recombinan espontanea-mente y en cada recombinacion se emite un fotonde luz con longitud de onda definida. Estos fotonesestimularan la recombinacion de otro par electronexcitado-hueco y la produccion de fotones adicionalesque tienen la misma longitud de onda y la mismafase que el foton original. De este modo resulta unrayo monocromatico y coherente. Como en el caso del
laser de rubı, un extremo del laser semiconductor estotalmente reflejante; en este extremo el rayo se reflejadentro del material y estimula otras recombinaciones.El otro extremo del laser es parcialmente reflejante:deja escapar algunos rayos. Ademas, con este tipo delaser se produce un rayo continuo, siempre constantede huecos y electrones excitados.
Un laser de semiconductor esta formado por variascapas de material semiconductor de diferentes compo-siciones que se colocan entre un metal conductor y undisipador de calor. Los laseres de semiconductores dearseniuro de galio dan luz infrarroja aproximadamen-te 900 nm y los de fosfuro-arseniuro de galio dan luzvisible de hasta 600 nm. Estos laseres son pequenos yeficientes, pues la salida de luz puede ser manipuladavariando la diferencia de potencial que se le aplique,de manera que se puede trasmitir una senal en el hazde luz. Por lo que son utiles en la fabricacion de dis-cos compactos musicales y en la industria moderna detelecomunicaciones.
Algunos iones de tierras raras trivalentes comoNd3+, Ho3+, Gd3+, Tm3+, Er3+, Pr3+ y Eu3+ ex-perimentan accion laser en cristales hospedantes talescomo, CaWO4, Y2O3, SrMoO4, LaF3, vidrios, grana-te de aluminio-itrio (YAG), Y3Al5O12, etc. De estos, elvidrio y el YAG dopados con neodimio, son de especialimportancia pues con estos se producen laseres de granpotencia que funcionan apropximadamente a una lon-gitud de onda de 10600 A. Se han construido laseres deNd:YAG que generan mas de un kilovatio de potenciacontinua (Fig3.).
Figura 3: Transiciones del Nd3+
Referencias[1] MOORE, W.J., Seven Solid States: An introduction to
the chemistry and physics of solids, W.A. Benjamin,Nueva York, 1967, pags. 163–178
[2] KITTEL, C., Introduccion a la Fısica del Estado Solido,Reverte, Barcelona, 1993, pags. 582–660
[3] SMITH, F.G.; THOMPSON, J.H., Optica, Limusa,Mexico, 1979, pags. 358–371
[4] HECHT, E., Optica, tercera edicion, Addison Wesley,Madrid, 2000, pags. 596–604
[5] CALLISTER, W., Ciencia e Ingenierıa de los Materia-les, Vol 2, Reverte, Espana, 1996, pags. 735–740
[6] GONZALEZ, E., El Laser, Principios Basicos, SantoTomas, 2003, pags. 34-464
[7] POWELL, R., Physics of Solid State Laser Materials,Springer-Verlang, USA, 1998, pags. 1–10
2
Valeria Flores Humberto Sánchez Rodríguez.
Química del estado sólido Jose Francisco Garcia
Descripción general: Los LEDs son diodos que transforman la corriente eléctrica en luz. La corriente que atraviesa el dispositivo genera estados excitados en los electrones del material de estos semiconductores. Posteriormente estos electrones regresan a los estados energéticos de partida, más estables, emitiendo fotones cuya longitud de onda dependerá de cómo se ha diseñado el módulo. Un diodo orgánico de emisión de luz, traducción del acrónimo inglés OLED (Organic Light-Emitting Diode), es un diodo que se basa en una capa electroluminiscente formada por una película de componentes orgánicos que reaccionan a una determinada estimulación eléctrica, generando y emitiendo luz por sí mismos. Aplicaciones tecnológicas: Se encuentran entonces principalmente, reemplazos de otros tipos de display como LCD, en aplicaciones que exigen mayor brillo, mayor rapidez de respuesta, menor espesor y menor peso, y que al mismo tiempo ofrecen menor potencia y consumo, mayor contraste y menor costo de fabricación. Las agendas personales y los teléfonos celulares son casos típicos de estas primeras aplicaciones. Además, ya hay ejemplos de aplicaciones reales en la iluminación doméstica que utilizan OLED. Entre estas aplicaciones tenemos: prototipos de lámparas convencionales para iluminar el hogar con menos gasto de energía. Las casas Philips y Osram han presentado varias lámparas a base de paneles luminosos con tecnología OLED, pero hay nuevos sistemas de iluminación, más revolucionarios, que cambian el concepto de la iluminación a partir de lámparas, como elementos puntuales de luz. Existen ventanas que tienen cristales transparentes, que al llegar la noche se transforman en elementos luminosos a base de OLED, de manera que se crea una ventana luminosa, capaz de producir el efecto de la luz natural Descripción Fenomenológica: un diodo orgánico emisor de luz consiste en una secuencia de capas orgánicas entre dos electrodos, un ánodo para la inyección de huecos y un cátodo para la inyección de electrones, respectivamente. Esquemáticamente, las capas básicas tienen asignadas las funciones en la imagen:
Imagen 2. Conformación de un OLED. Bajo una corriente de polarización positiva, los huecos son inyectados desde el ánodo y los electrones desde el cátodo. Los portadores de carga se mueven a través de las capas de transporte (mediante un mecanismo de hopping ) y se encuentran en la capa de emisión, donde se forman excitones (estados neutros excitados o pares electrón-hueco enlazados) que presentan una cierta probabilidad de decaer radiativamente. Para alcanzar una eficiencia elevada (fotones emitidos con respecto a electrones inyectados), las capas deben cumplir ciertos requisitos. La capa de inyección de huecos (HIL) tiene que facilitar la inyección de huecos desde el ánodo a la capa de transporte de huecos (HTL). Esto puede lograrse eligiendo el nivel energético del orbital molecular más alto ocupado (HOMO) de forma que esté entre el HOMO de la HTL y el potencial de ionización del ánodo. En el dibujo simplificado que se recoge en la figura siguiente, los niveles HOMO y LUMO se tratan de forma análoga a las bandas de valencia y conducción en semiconductores inorgánicos y el nivel de vacío se supone alineado. Debe tenerse en cuenta que esta es una aproximación poco rigurosa. La capa de transporte de huecos debe tener una alta movilidad de los mismos y debe impedir el que los electrones procedentes del cátodo lleguen al ánodo (dando lugar a una corriente de derivación). Además, la transmisión de todas las capas orgánicas debe ser alta en la región de la longitud de onda de emisión. Las posiciones de los orbitales HOMO y LUMO (orbital molecular más bajo no ocupado) de la capa de emisión (EML) deben posibilitar la inyección de huecos y electrones desde las capas vecinas. Adicionalmente, la eficiencia de fotoluminiscencia (proporción de excitones recombinados radiativamente frente a excitones generados) del material emisor debe ser alta y la
emisión debe estar desplazada hacia el rojo respecto a la absorción (desplazamiento de stokes), Las propiedades de las capas de transporte de electrones (ETL) y de inyección de electrones (EIL) serían complementarias a las ya vistas para las capas HIL y HTL (es decir, niveles LUMO adecuados, alta movilidad de electrones). El ánodo debe tener un potencial de ionización alto para inyectar huecos en el HOMO de la HIL. Por consiguiente, el cátodo debe ser un metal con una función de trabajo baja como el magnesio o el calcio. Finalmente, al menos un electrodo debe ser transparente para lograr una alta eficiencia de extracción de la luz. Por esta razón, en la mayor parte de los casos se utiliza ITO (óxido de estaño-indio) como ánodo transparente.
Imagen 2. Transición de electrones por todo el
circuito OLED. Relación estructural-Propiedades: la estructura electrónica del OLED puede aproximarse por el modelo de bandas rígidas que se recoge en la figura siguiente El campo intrínseco da lugar a una pendiente uniforme en las energías de los estados del polímero semiconductor; siendo la curvatura de las bandas despreciable.
Imagen 3. Transiciones electronicas entre orbitales LUMO y HOMO.
La altura de la barrera para la inyección de huecos viene determinada por la diferencia entre la función de trabajo del ánodo y el nivel de energía de la banda π (banda de valencia); y la altura de la barrera para la inyección de electrones está determinada por la diferencia de energía entre la función de trabajo del cátodo y el nivel de energía de la banda π* (banda de conducción). El hecho de que las barreras se puedan determinar de esta forma tan sencilla se debe a que los polímeros conjugados no tienen estados superficiales que fijen el nivel de Fermi. Consideremos las tres situaciones contempladas en la figura anterior (izquierda a derecha): -Corriente de polarización (bias) nula con un nivel de Fermi común a lo largo de todo el dispositivo (es preciso fijarse que, dentro de la capa de polímero semiconductor, el nivel de Fermi se mueve a través del salto energético ( gap) al ir del ánodo al cátodo): -Condición de planicidad de bandas: Tiene lugar cuando el voltaje aplicado iguala la diferencia entre las funciones de trabajo del ánodo y el cátodo. Este es el voltaje mínimo requerido para la inyección de electrones y huecos. En condiciones ideales, la emisión electroluminiscente debería comenzar a este voltaje. -Voltaje en directa: Los portadores son inyectados a través de las barreras triangulares en el ánodo (huecos) y el cátodo (electrones), y se encuentran en la película de polímero donde se recombinan radiativamente (electro-luminiscencia). Los portadores atraviesan (tunnel) esa barrera principalmente por el mecanismo conocido como tunelado de emisión de campo Fowler-Nordheim (Fowler-Nordheim field emission tunnelling) desde el ánodo y el cátodo hasta la banda π (en el caso de los huecos procedentes del ánodo) o hasta la banda π* (para los electrones procedentes del cátodo) del polímero semiconductor. Bibliografía: Chamorro, etal. (2008).”Fundamentos de la tecnología OLED”. Universidad de Valladolid. González y Aguilar. (2010) “Tecnología OLED y MOLED”. Publicado en Visión Electrónica Rankel, Mihailovié. (2004). “Seminar OLED”. UNIVERSITY OF LJUBLJANA FACULTY OF MATHEMATIC AND PHYSICS DEPARTMENT OF PHYSICS. Jefferson, Torres. ( 2010). “Tecnología OLED” Universidad Politécnica Salesiana. Facultad de Ingeniería Electrónica Cuenca- Ecuador.
Sensor de gases.
Descripción general.
¿Qué es un sensor de gases?
Un sensor de gases es un dispositivo que detecta y/o
cuantifica la presencia (de forma cualitativa) o la
concentración (de forma cuantitativa) de gases en un
volumen específico, usando de forma regular al aire
como referencia ambiental.
Distintos tipos de sensores de gases pueden ser
desarrollados usando diferentes principios, tales como:
Ópticos.
Térmicos.
Acústicos.
Magnéticos.
Eléctricos (Transducen la interacción entre
las moléculas del gas y los materiales de
detección como un cambio en la
conductancia o en la resistencia eléctrica).
Los principales parámetros que se deben tomar en
consideración al diseñar un sensor de gases son:
Selectividad.
Sensibilidad.
Estabilidad.
Tiempo de respuesta.
Tiempo de recuperación.
Para obtener un sensor de gases de alta calidad, es
preferible que, adicionalmente el dispositivo sea capaz
de detectar concentraciones menores a la de partes
por millón.
¿Para qué sirve un sensor de gases?
Entre las principales funciones de un sensor de gases
es posible destacar:
Detección de contaminantes de aire.
Determinación de fugas de gas tóxico en
una instalación.
Monitoreo y cuantificación de la
generación de un gas específico durante el
desarrollo de una reacción química.
¿Cómo funciona un sensor de gases?
El funcionamiento de un sensor de gases dependerá
principalmente del tipo de principio bajo el cual este
actúa; pero es posible brindar un panorama general.
Puesto que los sensores de gases son básicamente
detectores que cuantifican la concentración de un gas
específico, la respuesta del sensor a una determinada
concentración se puede tomar como un punto de
referencia o puede servir para construir una escala; si
la respuesta del sensor sobrepasa un cierto límite
(previamente establecido al instalar el sensor), este se
activará emitiendo señales sonoras u ópticas o en su
defecto una combinación de ambas que alertarán al
usuario de un riesgo potencial.
Los detectores estándar se pueden emplear para
monitorear pequeñas áreas de trabajo de forma
selectiva, pero es posible vincular múltiples detectores
estándar para formar un amplio y completo sistema de
protección; aunque en la actualidad existen sensores
multifuncionales de alta gama capaces de cumplir este
cometido.
Es importante recalcar que para tener un adecuado
funcionamiento del equipo, se debe trabajar bajo las
condiciones óptimas especificadas por el fabricante,
además de brindar un mantenimiento adecuado y
mantenerse al tanto de las cantidades de gas a las que
el equipo se encuentra sometido ya que al sufrir una
sobrexposición es posible que los resultados que
arroje ya no resulten confiables, por lo tanto es
sumamente recomendable realizar calibraciones
periódicas durante el tiempo de vida del sensor.
Clasificación de los sensores de gases.
Aplicaciones tecnológicas.
Los sensores de gases tienen un amplio campo de
aplicación como:
Detectar gases combustibles y tóxicos en
lugares donde se lleva a cabo soldadura.
Detectar gases combustibles en plantas
nucleares.
Detectar vapores peligrosos en plantas de
tratamiento de aguas residuales.
Para detectar vapores específicos
durante una reacción (amoniaco o gas
metano, por ejemplo).
Como medida de seguridad en el área de
trabajo.
Descripción fenomenológica.
Sensores de gas catalíticos.
El principio bajo el cual trabajan estos sensores se basa
en la oxidación de un gas flamable sobre la superficie
de un elemento catalítico con calentamiento eléctrico.
La corriente eléctrica pasa a través de los espirales que
componen al sensor, de manera ordenada hasta
alcanzar la temperatura que permita la oxidación del
gas (aproximadamente 450 ºC), y cuando el
combustible gas se ha quemado en el detector la
oxidación causa un aumento de temperatura
únicamente en el pellistor que ha sido tratado (el que
no fue tratado se conserva como referencia)
provocando una pérdida de equilibrio en el circuito.
Sensores de gas infrarrojo.
Se basan en el principio de que los gases absorben
energía luminosa en longitudes de onda
características que usualmente pertenecen al
intervalo del espectro electromagnético en el cual se
encuentra la luz infrarroja. Cuando el gas pasa entre la
fuente y el detector el gas absorbe radiación infrarroja
y una ligera intensidad es registrada en el detector. La
concentración de gas es directamente proporcional a
la cantidad de energía absorbida y dicha absorción
viene dada por la ley de Lambert-Beer.
Sensores de gas de semiconductor de óxido
metálico (MOS).
Detectan gases por una reacción química que
tiene lugar cuando el gas entra en contacto con
el sensor. El dióxido de estaño es el material más
común utilizado en los sensores
semiconductores y la resistencia eléctrica en el
sensor disminuye cuando entra en contacto con
el gas monitorizado.
Sensores de gas electroquímicos.
El sensor electroquímico tiene dos electrodos,
uno para “Sentir” y otro para "Contar” que están
divididos por una capa fina de electrolito. Esto
puede estar en un estado líquido o en un estado
de gel y recientemente también en un estado
sólido. El electrolito se aísla hacia el exterior a
través de una membrana permeable al gas. El gas
entra en el sensor por difusión, a través de la
membrana, y hay una reacción de oxidación
(reducción que causa una corriente eléctrica
directamente proporcional a la concentración de
gas) si se aplica una tensión de polarización a los
electrodos.
Bibliografía:
Modeling, design and applications of the gas
sensors based on graphene and carbon
nanotubes.
Vargas-Bernal Rafael.
IGI Global Disseminator of knowledge.
Semiconductor gas sensors.
R. Jaanisu, O.K. Tan.
Woodhead Publishing Series.
Solid state chemical sensors.
Jiri Janata, Robert J. Huber.
Academic Press Inc.
CONDUCTORES TRANSPARENTES
Gonzalez Hernandez Karla Yidem, González López Eva Monserrat. Los materiales conductores transparentes presentan propiedades ópticas y eléctricas, que permiten una serie de aplicaciones, tanto como componentes de sistemas de despliegue de información, como en dispositivos ahorradores y también generadores de energía. El objeto principal de esta invención es proporcionar una película conductora transparente que tiene una estabilidad química satisfactoria, las propiedades de barrera de vapor de agua, resistencia a la luz, isotropía óptica, resistencia al calor, flexibilidad y propiedades mecánicas; el problema es que este conjunto de propiedades no se da a menudo, ya que los metales, que son conductores excelentes, son opacos a la luz visible, mientras que los materiales transparentes son óxidos que no transmiten bien la electricidad. Los óxidos de indio, zinc, titanio, tungsteno y de vanadio se encuentran entre los materiales conductores transparentes más estudiados, pero principalmente el óxido de indio dopado con estaño (ITO) está presente en muchas aplicaciones tecnológicas que utilizamos dia a dia, tal como los smartphones, como materiales de paneles en los dispositivos de visualización, los sistemas de navegación por satélite o en los dispositivos de control de la calefacción, ventilación y aire acondicionado, también como electrodos para electroluminiscencia y electrodos de un sensibilizador fotoconductor, como unidades de calefacción plana para la laminación a las ventanas de aeronaves y automóviles y como películas selectivas de luz en las ventanas de energía solar en invernaderos y edificios. La particular importancia del ITO es gracias a que está presente en dispositivos de cristales líquidos (LCD), en diodos de
emisión de luz orgánicos (OLED), y en células solares. Por ejemplo, en las pantallas táctiles de los smartphones, es imprescindible el ITO ya que se requiere de materiales que sean eléctricamente conductores y a la vez transparentes a la luz visible. Usan directamente la débil capacidad conductora del dedo humano para producir un ligero cambio de capacitancia en el ITO a nivel local. En el caso de los cristales líquidos, los recubrimientos transparentes conductores se emplean para convertir la propia superficie de la pantalla en un electrodo, mientras que en las televisiones de plasma, estos recubrimientos proveen de un escudo que confina lo campos electromagnéticos. En las celdas solares funciona como material fotovoltaico, para ser utilizado como capa buffer (ventana óptica).
El ITO tiene una estructura muy parecida al óxido de indio. Durante su síntesis es muy fácil que se formen vacantes de oxígeno y átomos de indio intersticiales. Estos están eléctricamente cargados, creando impurezas de dispersión ionizadas en estas estructuras. El óxido de Indio cristaliza en
una estructura cúbica, con un parámetro de red de 10.118 nm. Tanto las propiedades electrónicas cómo ópticas de las capas finas de ITO están relacionadas con sus bandas de energía y ya que su estructura cristalina es compleja se toman las siguientes simplificaciones: 1. Las láminas de ITO presentan una banda prohibida directa (de unos 3.5 eV), haciendo que las transiciones de interbanda en el visible no sean posibles, por ello es un material ópticamente transparente. 2. Los dopantes intrínsecos (oxígeno) o extrínsecos (por ejemplo el Sn) donan electrones en la banda de conducción (dopaje de tipo n). 3. Un gap grande en la banda de conducción prohíbe la absorción de fotones en el visible. Las películas delgadas de ITO pueden ser sintetizadas por diferentes técnicas entre las que se destacan: CVD, evaporación reactiva, Sputtering y spray pyrolysis entre otras. La técnica de spray pyrolysis es una de las de mayor uso, por que se logran excelentes propiedades ópto–eléctricas y el costo de implementación de la técnica es muy bajo; permite crecer capas delgadas mediante una reacción pirolítica de las especies contenidas en una solución finamente atomizada en un sustrato caliente. La síntesis de películas delgadas por el método de spray pyrolysis involucra tres procesos básicos: 1. Formación del spray de una solución que contiene las especies precursoras 2. Aspersión del spray sobre el sustrato caliente. 3. Formación de la película mediante una reacción pirolítica.
Este sistema esta conformado principalmente por: un depósito que contiene las especies precursoras del ITO, una bomba peristáltica para controlar el flujo de solución, una termocupla para medir la temperatura del sustrato a la cual ocurre la reacción pirolítica, la tobera para producir el spray de la solución precursora del ITO, un sistema de movimiento automático de la tobera que permite aumentar el área de deposición, un motor, una guía y un sistema de calentamiento que permite controlar la temperatura del sustrato. Desafortunadamente, queda una reserva poco duradera de indio, por lo que nuevos materiales están en desarrollo para sustituirlo. Los candidatos para sustituir al ITO son materiales nanométricos principalmente de carbono, también de plata, zinc, cadmio y polímeros. Bibliografía
● Thomas B. Elliot, Trends in semiconductor research, Nova Science Publisher, Nueva York 2005, pp 105-208.
● Michael M. Cirovic,Basic Electronics: Devices, Circuits and Systems, Prentice-Hall, New Jersey, USA,pp.144-148.
● Claes G. Granqvist, Transparent conductors as solar energy materials: A panoramic review, Solar Energy Materials & Solar Cells, Volume 91, Issue 17, 15 October 2007, Pages 1529–1598.
Superconductores tipo I y tipo II
Integrantes:
Guerrero Osnaya Mariana
Santiago Rubio Jorge Daniel
Descripción general
La superconductividad es un estado de la materia, como lo es el estado líquido o el estado
sólido, en el cual no existe resistencia eléctrica. Esto significa que no hay dispersión de energía
al pasar corriente eléctrica por un material superconductor.
Los superconductores tienen dos características notables, por debajo de la temperatura critica
a la que se forma el estado superconductor su resistencia eléctrica es nula; presentan también
el efecto Meissner (no permiten que el campo de fuerza de un imán no penetre en su interior).
Se conocen dos tipos de superconductores:
Superconductores tipo I:
Solo en los materiales llamados superconductores tipo 1 presentan un fenómeno llamado efecto
Meissner. Este efecto fue descubierto por Walter Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933.
Superconductores tipo II:
Estos materiales son usualmente aleaciones o metales que poseen resistividades grandes en
el estado normal. Los superconductores de tipo II exhiben las propiedades eléctricas de los
superconductores excepto cuando actúa el efecto Meissner hasta el campo Bc2.
Aplicaciones tecnológicas
Una aplicación importante de los superconductores es la fabricación de electroimanes potentes
que se necesitan para el trazado de imágenes por resonancia magnética en aplicaciones
médicas (imágenes radiológicas). Puesto que a través de un superconductor la electricidad
circula sin resistencia alguna, una vez que empieza a circular corriente por una bobina
electromagnética se puede suprimir el voltaje. Dentro de las aplicaciones energéticas, está
también la posibilidad de almacenar grandes cantidades de corriente en anillos
superconductores, ya que uno de los factores que más incidencia tienen en el coste de la
energía eléctrica es el consumo de forma discontinua, así pues estos anillos superconductores
podrían ser utilizados para almacenar energía producida en periodos de consumo bajo. Los
superconductores tipo I se prefieren en muchas aplicaciones prácticas en virtud de sus
temperaturas y campos magnéticos más altos. Los tres superconductores más utilizados son
las aleaciones de Niobio-Circonio (Nb-Zr), niobio-titanio (Nb-Ti) y el compuesto intermetalico
𝑁𝑏3𝑆𝑛.
Descripción fenomenológica
Según su respuesta magnética los materiales superconductores pueden clasificarse en dos
tipos denominados tipo I y tipo II. Los materiales de tipo I, mientras están en el estado
superconductor, son completamente diamagnéticos; es decir, cualquier campo aplicado será
expulsado del cuerpo del material, un fenómeno que se denomina efecto Meissner. A medida
que H aumenta, el material permanece diamagnético hasta que se alcanza el campo crítico Hc.
En este momento la conducción se hace normal y el flujo magnético penetra completamente en
el cuerpo. Varios elementos metálicos tales como el aluminio, plomo, estaño y mercurio
pertenecen al grupo de tipo I.
La característica más sobresaliente de un superconductor es la levitación magnética. Cuando
se aplica un campo magnético a un superconductor, se crea una corriente eléctrica que pasa
por la zona exterior del material, de forma que el campo magnético inducido compensa
exactamente el campo magnético aplicado, anulándose el campo neto en el interior de la
muestra. La anulación del campo magnético en
un superconductor se conoce como efecto
Meissner.
Los superconductores tipo II son
completamente diamagnéticos para campos
aplicados pequeños y la exclusión del campo
es total. Sin embargo, la transición del estado
superconductor al estado normal es gradual y
ocurre entre un campo critico inferior, Hc1, y un
campó critico superior, Hc2. Las líneas de flujo
magnético comienzan a penetrar dentro del
cuerpo de material a Hc1, y la penetración
continúa aumentando a medida que el campo
magnético aplicado aumenta; a Hc2 la penetración del campo es completa. Para campos entre
Hc1 y Hc2, el material está en un estado que se denomina mixto: existen regiones del material
en estado normal y otras en estado superconductor.
Relación estructura- propiedades
La estructura de estos materiales corresponde a la estructura conocida como perovskita, que
es una estructura típica de los materiales ferroeléctricos. El mineral perovskita, 𝐶𝑎𝑇𝑖𝑂3, es el
prototipo de una serie de compuestos que se identifican con este mismo nombre. La estructura
está formada por iones óxido y calcio en empaquetamiento cubico compacto, donde el calcio
ocupa una cuarta parte de los posiciones. Por cada cuatro de los iones anteriores hay un átomo
de titanio que, por lo tanto, tiene que estar situado en una cuarta parte de los huecos
octaédricos. No existen los iones titanios como tales, aunque suele utilizarse esta nomenclatura.
Cada ion calcio tiene doce iones óxido contiguos, y cada oxígeno cuatro iones calcio.
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o Daniel C. Harris. (2006). Análisis químico cuantitativo. España: Editorial Reverté S. A.
o Edwin M. Larsen . (1972). Elementos de transición. España: Editorial Reverté S. A.
Figura 1.Representación del efecto Meissner. (a) En el
estado superconductor, el cuerpo del material (circulo)
expulsa el campo magnético (flechas). (b) El campo
magnético petra el mismo cuerpo del material una vez
que se hace conductor.
Diosdado Martínez Alejandra
González Rodríguez Damayante
Termopares
En los metales y semiconductores los procesos de transporte de carga (corriente eléctrica) y energía
están íntimamente relacionados, debido al desplazamiento de portadores de corriente: electrones
de conducción y huecos. Esta relación mutua condiciona una serie de fenómenos o efectos (Seebeck,
Peltier y Thomson) (Muñoz del Corral, 1957). Además, los metales poseen una nube electrónica en
un estado altamente degenerado, la concentración de los electrones de conducción es muy elevada
y no depende de la temperatura, y su distribución según los niveles energéticos y velocidades del
movimiento térmico varía muy poco al calentar al metal. Por eso el valor de poder termoeléctrico de
los metales es muy pequeño (Wilson, 1989).
En 1821 se descubrió el efecto Seebeck, la producción de una diferencia de potencial y una corriente
eléctrica que fluye en un circuito cerrado de dos metales diferentes, si las dos uniones se llevan a
cabo a diferentes temperaturas. Las dos uniones se designaron como: unión fría (o referencia) y
unión caliente (Childs, 2001). El efecto Seebeck se debe a 3 causas (Muñoz del Corral, 1957):
• La difusión de los portadores de corriente del conductor del extremo caliente al frío.
• El arrastre de los electrones por los fonones, los cuales en su mayoría se desplazan del
extremo caliente del conductor al frío e interactuando con los electrones, arrastran a la
mayoría de estos en la misma dirección.
• A la dependencia entre la diferencia de potencial de contacto y la temperatura, relacionado
con la dependencia entre el potencial quimico y la temperatura.
La corriente desarrollada en el circuito cerrado fue proporcional a los tipos de metales utilizados y a
la diferencia de temperatura entre el calor y las uniones frías (Childs, 2001). Sin emabrgo, el efecto
Seebeck no es una fuente importante de electricidad, pero es un método conveniente para la
medición de temperaturas (Ibrahim, 2002).
El efecto Peltier (1834) consiste en el calentamiento o enfriamiento de la unión de dos metales
distintos al pasar una corriente por ellos. Al invertir el sentido de la corriente se invierte también el
sentido del flujo de calor (Pallas Areny, 2004).
Un termopar es un transductor térmico que genera una señal eléctrica que depende de la
temperatura del dispositivo, es decir, convierte una señal de temperatura en una señal de salida
eléctrica (Cromer,1986). Son sensores de temperatura simples, de dos metales diferentes unidos
entre sí. Se basan en dos efectos reversibles, el efecto Peltier y el efecto Seebeck (Pallas Areny,
2004).
Tipos de termopares
En las uniones de termopares es importante considerar las siguientes propiedades:
● Resistencia elevada para no requerir mucha masa, lo que implica alta capacidad calorífica y
respuesta lenta.
● Coeficiente de temperatura débil en la resistividad.
● Resistencia a la oxidación a altas temperaturas.
● Linealidad de la respuesta.
Puede obtenerse un incremento de la sensibilidad conectando dos o más termopares, formando así
una termopila o pila termoeléctrica (Wilson, 1989).
Diosdado Martínez Alejandra
González Rodríguez Damayante
Tabla I. Termopares comunes (Pallas Areny, 2004 y Werner G. Holzbock, 1974)
Composición Alambre positivo Alambre negativo Designación ANSI* Pt (6%)/Rodio-Pt(30%)/Rodio Pt(30%)-Rh Pt(6%)-Rh B W(5%)/Renio-W (26%)/Renio - - C
Cromel-Constantán** Cromel Constantán E Hierro-Constantán Hierro Constantán J Cromel- Alumel*** Cromel Alumel K
Nicrosil (Ni-Cr-Si)-Nisil(Ni-Si) Nicrosil Nisil N
Pt/13% Rodio-Pt Pt, 13% Rh Platino R Pt/10% Rodio-Pt Pt,10%Rh Platino S
Cobre- Constantán Cobre Constantán T
*ANSI: American National Standards Institute.
** El Cromel es una aleación de 90% níquel y 10% cromo y el constantán es una aleación de 55%
cobre y 45% níquel.
***El alumel es una aleación de 95% níquel y 5% aluminio, manganeso y sílice.
Aplicaciones
Los termopares J son ideales en atmósferas oxidantes y reductoras o de gas inerte, hasta 750°C, son
versátiles y de bajo costo. Se aplican a menudo en hornos de combustión abiertos a la atmósfera. Los
termopares K se emplean en atmósferas oxidantes o de gas inerte, hasta 1200°C, son mejores que
los de tipo E, J y T cuando se trata de medir en atmósferas oxidantes. Los termopares T resisten la
corrosión, de modo que se pueden emplear en atmósferas de alta humedad. Los termopares E son
los de mayor sensibilidad y resisten la corrosión por debajo de 0ºC y las atmósferas oxidantes. Los
termopares N resisten la oxidación y ofrecen mejor estabilidad a altas temperaturas. Los termopares
con metales nobles tienen muy alta resistencia a la oxidación y a la corrosión (Pallas Areny, 2004).
Referencias
• Childs, P. (2001). Practical temperature measurement (1st ed., pp. 98). Oxford: Butterworth-
Heinemann.
• Cromer (1986). Física en la ciencia y en la Industria. Edit. Reverté. España. Pág. 685.
• Ibrahim, D. (2002). Microcontroller Based Temperature Monitoring Control (1st ed., pp. 63-
64). Oxford: Newnes.
• Muñoz del Corral, F. (1957). Estructura de los metales. Editorial Aguilar. Madrid. Pag
272,273,280,281.
• Wilson J. D. Física con aplicaciones. McGrawhill. México, 1989. Pág. 314.
• Pallas Areny, R. (2004). Sensores y acondicionadores de senal (1st ed., pp. 273-276). Espana:
Marcombo.
• Werner G. Holzbock. Instrumentos para medición y control. Continental. México, 1974. Pág.
31-37.
Introducción
Las baterías de litio fueron utilizadas por primera vez por GN Lewis en 1912 y fue hasta 1970 que se comenzó con su venta comercial siendo en un inicio no recargables. Las baterías de litio se fabrican dependiendo de las características que se deseen, los materiales más comunes en la fabricación de estas son: el LiCoO2 (LCO),LiMn2O4 (LMO),LiFePO4
(LFP), LiNiMnCoO2 y recientemente el Li4Ti5O12
Fig.1 Características de las baterías de litio según su
composición
Aplicaciones de las baterías de litio
y litio-polímero
Las baterías de iones de litio han sido
ampliamente utilizadas como fuente de
energía para dispositivos electrónicos
portátiles como celulares, laptops y
agendas electrónica. Recientemente,
muchos esfuerzos han hecho para
promover su aplicación en vehículos
eléctricos híbridos y sistemas de
almacenamiento de energía dispersa,
que demandan peso ligero, pequeño
volumen, alta densidad de energía, ser
recargables y un buen rendimiento
(ciclos de carga y descarga de hasta un
80%).En el área de la medicina son
utilizadas como fuente de energía de
los marcapasos. Las baterías de litio-
polímero tienen una mayor densidad de
energía en comparación a las baterías
de ion-litio sin embargo son más
delicadas y un uso inadecuado de
estas puede provocar que exploten,
estas baterías son usadas por los autos
híbridos de la marca Hyundai, en la
mayoría de los productos electrónicos
de Apple y en algunos dispositivos
móviles de Samsung.
Funcionamiento de una batería
de litio
El funcionamiento de las baterías de ion–litio recargable o secundaria se basa en un proceso denominado electro-intercalación de iones Litio (Li+). En general, la reacción que ocurre se puede describir de la manera siguiente:
xM + A === Mx A
Las reacciones son en estado sólido entre dos compuestos de inserción como electrodos. Uno de los compuestos es denominado huésped (M); de naturaleza iónica, reacciona ocupando lugares vacantes en la estructura de otra especie denominada anfitrión (A). En las baterías recargables los iones Li + se inserten dentro de la estructura anfitriona durante la descarga y posteriormente se expulsan durante la recarga con pequeña o ninguna modificación estructural del material hospedador. En términos de energía, el desempeño del sistema está limitado por la velocidad con la que el litio puede ser insertado o expulsado de los compuestos de inserción.
Baterías de litio Bernal Victoria Fernando
Fig.2 En la descarga el ion-Litio se mueve a través del electrolito hacia el electrodo positivo donde se produce la reducción de la especie anfitrión y la inserción de la especie huésped, durante el proceso de carga la reacción es la contraria.
El ánodo de la batería generalmente está formado por compuestos de carbono o grafito mientras el cátodo está formado por aleaciones de Li y un metal de transición, los cátodos más utilizados..son:LiCoO2 (LCO),LiMn2O4 (LMO),LiFePO4 (LFP), LiNiMnCoO2 y recientemente el Li4Ti5O12.Estos cátodos son llamados conductores mixtos, debido a las conducciones electrónicas e iónicas operantes. Cada uno posee características diferentes dependiendo de los materiales que componen la aleación de cátodo ya que presentan una diferente estructura cristalina.
Tabla 1.Baterias de litio de algunos fabricantes y sus características
Estructuras cristalina de los conductores mixtos La electro-intercalación en óxidos de metales de transición está asociada al hecho de que cuando estos sistemas se oxida o se reducen electroquímicamente, el enlace oxígeno / metal se mantiene (gracias a su alta energía) lo que permite al ion Li desplazarse sin modificar la red cristalina.
Fig 3. Estructura cristalina de LiCoO2 (a) , LiMn2O4 (b) y LiFePO4 (c).El color verde representa al ion Li, octaedro azul CoO6 . octaedro morado MnO6, poliedro café Fe–O y tetraedro morado SiO4
Bibliografia Hamael,J.(2011) .CELDAS, PILAS Y BATERÍAS DE IONLITIO UNA ALTERNATIVA PARA….???. JOURNAL BOLIVIANO DE CIENCIAS,8 (22) ,44-46 Li.H.,Huang.X.,Wuang.Z.(2009).Research on Advanced Materials for Li-ion Batteries. Advanced Materials . (21),4593-4594
Tian.B.,Xiang.H.,Zhang.L.,(2010).Niobium doped lithium titanate as a high rate anode material for Li-ion batteries, Electrochimica Acta,(55),5453 Saiful.M.,Fisher.J.,(2013). Lithium and sodium battery cathode materials: computational insights into voltage, diffusion and nanostructure properties,Royal society of chemistry.(43).187-189
Quimica del Estado Sólido Daniel Alejandro Acero Pimentel Rodrigo Daniel Castro del Razo
Biomateriales Los biomateriales se relacionan tanto con las ciencias básicas como con la medicina. Las ciencias básicas son fundamentales para el estudio e investigación en materiales, por ejemplo la física, que permite entender las leyes y características del movimiento, el equilibrio y la fuerza; la metalurgia indica cómo extraer, purificar y trabajar los metales en todas sus formas, la química permite conocer la composición y el comportamiento de los materiales; cómo se transforman y cómo deben utilizarse.
K.W. Leong, del journal Biomaterials, define un biomaterial como aquél material diseñado específicamente para interactuar con un sistema biológico y servir ya sea de forma terapéutica o de recuperación. Los biomateriales recorren una historia muy larga y sus usos se remontan hasta antes de la era cristiana. Es en los años 1919 y 1920 cuando nace el estudio científico de los materiales con trabajos sobre amalgamas, y desde esos años hasta 1950 dichos estudios no trascendieron a lo clínico, es decir fueron casi exclusivamente de laboratorio. A partir de este año se pensó en el estudio biológico de los materiales y se comenzó la realización de estudios en animales de experimentación. En los años 60, se empezó a estudiar el comportamiento clínico de los materiales en pacientes, siendo quizá las amalgamas el material al que desde el comienzo de las investigaciones clínicas se le ha hecho el mayor número de pruebas.
El estudio de los biomateriales tiene como objetivo fundamental conocer sus propiedades y composición; los procedimientos y técnicas que permiten su adecuada manipulación; las indicaciones y contraindicaciones en el uso de cada una de ello; la forma más conveniente para su utilización clínica; y la manera más adecuada de organizar las experimentaciones e investigaciones relacionadas con ellos. Ejemplo de ello es la tomografía axial resonancia magnética nuclear, los implantes dentales y las ingenierías en tejidos.
El campo de aplicación central de los biomateriales a desarrollar en este trabajo será la ingeniería de tejidos, específicamente el papel del titanio en la ortopedia, aunque existen muchas otras aplicaciones, tales como la ingeniería genética para el tratamiento de residuos provenientes de la quimioterapia (muy bien descritos por Li, L. et al), medicina regenerativa en general y la posibilidad de controlar el ambiente mitocondrial regulando las funciones mitrocondriales, que Yamada, Y. e Ishikawa, T. reportan mediante el uso de un promotor de expresión mitocondrial de citomegalovirus.
La ingeniería de tejidos puede definirse como el uso de celulas y moleculas en construcciones artificiales para restaurar funciones corporales que sea han perdido o deteriorado. Como tal la ingeniería de tejidos se engloba dentro del campo de la medicina regenerativa aunque en muchos casos ambos términos se utilizan de forma indistinta. Nos damos cuenta que en el uso de los biomateriales se utilizan nuevas herramientas como polímeros inteligentes capaces no sólo de promover el crecimiento celular y absorberse tras un periodo que puede programarse a voluntad sino de liberar fármacos específicos de manera controlada. Por otro lado, también resulta ya posible controlar la composición química y la arquitectura interna de los materiales nanoestructurados para conseguir materiales inteligentes.
Lo que se explorará en este trabajo, como ya se ha mencionado, será el papel del titanio en la medicina regenerativa, aunque existe una gran variedad de aplicaciones
Quimica del Estado Sólido Daniel Alejandro Acero Pimentel Rodrigo Daniel Castro del Razo
además de esta, pero hablar demasiado de ellas complicaría la comprensión de todas las aplicaciones . El titanio ha demostrado ser un material bastante útil en el campo ortopédico y dental, pues es un material resistente mecánicamente hablando, además de que resiste la corrosión y es razonablemente biocompatible con el cuerpo humano (es difícil encontrar xenobióticos que el cuerpo no considere como “amenazantes”). Su dureza se debe a que el titanio forma una red hexagonal
compacta (factor de empaquetamiento=0.74). Esta característica provoca que sea altamente resistente a deformaciones mecánicas y debido a que esta estructura no se altera hasta más allá de los 882 ºC, estas propiedades se mantienen en el uso cotidiano. Los implantes de titanio generalmente tienen un poco de aluminio en ellos, pero no lo suficiente como para hacerle perder totalmente estas propiedades. Los implantes de aluminio, ya sean ortopédicos o dentales, son biocompatibles debido a que, según Namavar, F. et al., el titanio implantado en el organismo forma una delgada capa de óxido de titanio TiOx en su superficie. Esta capa de óxido de titanio potencia la adsorción de proteínas a la superficie y por ello fortalece las interacciones entre las proteínas mediadoras del organismo y la superficie del implante. Esto permite que el hueso traumatizado se incorpore fácilmente al implante, favoreciendo la osteointegración del implante al tejido humano.
Existen investigaciones para mejorar la biocompatibilidad del titanio con el organismo mediante la generación de estructuras porosas de titanio que se asemejen a un hueso humano, pues actualmente los implantes de titanio son mucho más duros que el hueso humano, lo que provoca que el tejido que rodea al implante no “trabaje” tanto como el implante, provocando que se deteriore el tejido y, por lo tanto, se obtenga un efecto contrario al deseado. REFERENCIAS 1)Barone, A. y Nannmark, U., 2015. Bone, biomaterials & beyond : técnicas quirúrgicas y biomateriales para el aumento de los tejidos duros y blandos en cirugía implantar. Argentina: Amolca. 2)Santamaría, J., 2014. Nanomedicina : una visión desde el diseño de nuevos materiales. España: Prensas de la Universidad de Zaragoza. 3)Sabirianov RF, Rubinstein A, Namavar F. Phys Chem Chem Phys.2011;13:6597-609 4)Dabrowski, B. et al., 2010. Highly porous titanium scaffolds for orthopaedic applications. Journal of Biomedical Materials Research. Part B, Applied Biomaterials, 95(1), pp.53–61. 5)Li, L. et al., 2017. DNA-assisted upconversion nanoplatform for imaging-guided synergistic therapy and laser-switchable drug detoxification. Biomaterials, 136, pp.43–55. 6)Yamada, Y., Ishikawa, T. & Harashima, H., 2017. Validation of the use of an artificial mitochondrial reporter DNA vector containing a Cytomegalovirus promoter for mitochondrial transgene expression. Biomaterials, 136, pp.56–66.
BIOPOLÍMEROS Jiménez Cisneros Diego Samuel / Olmos Guerrero Luis Daniel
Actualmente el uso desmedido de agentes no degradables ha puesto en jaque la sustentabilidad del planeta. Es por eso que se ha planteado una solución efectiva al problema: el uso de biopolímeros.
Los biopolímeros tienen una definición un tanto ambigua y anticuada, ya que se les conocía como aquellas macromoléculas fabricadas por los seres vivos. Sin embargo, actualmente se han podido sintetizar artificialmente (con cierta dificultad) estos compuestos. Estos materiales pueden ser clasificados en tres grupos principales: ácidos nucleicos, polisacáridos y proteínas.
Estos tres grupos tienen notorios representantes: por parte de los ácidos nucleicos existe el ácido desoxirribonucleico (ADN) que es el encargado de almacenar la información genética y transmitirla a las siguientes generaciones de los seres vivos; La celulosa es el polisacárido por excelencia. Este biopolímero constituye la mayoría de la biomasa existente en el planeta Tierra, y se puede encontrar fácilmente en las plantas y árboles. Por ultimo podemos hablar de las proteínas, y un ejemplo de los abundantes tipos que existen es el de la hemoglobina, encargada de transportar el O2 alrededor de todo el cuerpo humano para así oxigenarlo.
Los biopolímeros en general son una subclasificacion de los polímeros, por lo que estructuralmente se comportan de la misma manera: Este es el resultado de la unión de moléculas sencillas, llamados monómeros, para
formar estructuras mucho más complejas. Por lo tanto, su estructura final dependerá enteramente de la composición del monómero.
En cuanto a los ciclos de biosíntesis los biopolímeros tienen métodos muy variados. Estos dependerán exclusivamente del tipo de compuesto del que estemos hablando. En el caso de las proteínas, estas se forman a partir de la información genética que acomoda a los aminoácidos participantes. Pero lo que llama poderosamente la atención y ha provocado numerosas investigaciones es su proceso de biodegradación. Este proceso es particular en una gran mayoría de biopolímeros, que incluso podrían funcionar como solución de los problemas ambientales que se nos
presentan.
Cabe mencionar que los biopolímeros permiten adaptar sustituciones in vivo para distintos entornos gracias a sus propiedades, con el fin de tratar, evaluar, aumentar o sustituir algún tejido, órgano o función del organismo humano. La ingeniería de tejidos, se refiere a la práctica de combinar andamios, células y moléculas biológicamente activas para crear tejidos funcionales. El objetivo de la ingeniería de tejidos es recopilar ideas o teorías que restauren, mantengan o mejoren los tejidos dañados u órganos completos. La piel y los cartílagos
BIOPOLÍMEROS Jiménez Cisneros Diego Samuel / Olmos Guerrero Luis Daniel
artificiales son ejemplos de tejidos fabricados por ingeniería que han sido aprobados por la FDA.
Haciendo un repaso en las aplicaciones de los biopolímeros observamos que la primera aplicación de los biopolímeros no se produce hasta 1860 con la introducción de las técnicas quirúrgicas asépticas. A principios de 1900 se aplican las primeras placas óseas hechas de metal con la finalidad de separar roturas o fracturas y es a partir de la Segunda Guerra Mundial cuando se produce un rápido avance en la tecnología de los polímeros, principalmente enfocado a las aplicaciones médicas. El polimetilmetacrilato fue uno de los primeros polímeros utilizados como material biomédico, aplicándose como material para reparar la córnea humana. Estos deben ser materiales diseñados para mantener sus propiedades durante los largos períodos de tiempo. Tienen que ser biocompatibles y atóxicos para disminuir el posible rechazo.
Los biopolímeros, para poder ser utilizados en las ramas tanto de la medicina como de algunas ingenierías, deben cumplir con propiedades similares o idénticas a las de un polímero común para así poder ser utilizados en sus respectivas áreas y tener así mismo la misma eficiencia que los anteriormente mencionados. Una de las características de los biopolímeros es que las cadenas sean de idéntica longitud y composición ya que esto puede variar en función de la tacticidad que regula la alternancia
del monómero. Si tiene una tacticidad definida, el polímero cristalizará, por el contrario, tendrá una estructura amorfa. Otro factora es la configuración de las cadenas (lineal vs ramificada) y la densidad de núcleos de interacción ya que éstas son igualmente determinantes en las propiedades de nuestro biopolímero. Los biopolímeros presentan gran versatilidad, dada la variedad de monómeros. Par un mismo monómero, el peso molecular influencia drásticamente sus propiedades físicas. Se debe mencionar que el término de biodegradación en el campo de los polímeros hace referencia al ataque de microorganismos a estos materiales, proceso a través del cual se obtiene la desintegración del polímero en pequeños fragmentos debido a la ruptura de enlaces en su cadena principal.
Ministerio de Ambiente, Vivienda y
Desarrollo Territorial. Principales
procesos básicos de transformación de
la industria plástica ISBN, 2004
L. G. Wade Jr. Química Orgánica, 7ª
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Instituto Nacional de Bioingeniería e
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Mejía. L., Diagnóstico de la cadena
productiva petroquímica plásticos y
fibras sintéticas Bucaramanga,
Colombia, 2011
Verduzco López Yadira Esmeralda. Santillán Orta Monserrat Paola.
Capacitores.
Introducción.
Un capacitor, está formado por dos
conductores, uno que posee carga negativa y
otro con carga positiva. Estos conductores
están separados por una distancia, que es
usualmente un espacio vacío o un aislante
(dieléctrico), los conductores poseen un área
específica.
Existen diferentes tipos de capacitores: de
placas paralelas, cilíndricos y esféricos. Sin
embargo, todos siguen el mismo principio, sin
importar su geometría y pueden entenderse
como un capacitor de placas paralelas, bajo
algunas condiciones.
Los capacitores almacenan y regulan energía
eléctrica en forma de energía potencial, para
ser utilizada posteriormente.
Aplicaciones tecnológicas.
Se encuentran en diferentes dispositivos
electrónicos que ocupamos en nuestra vida
diaria, algunos ejemplos son: en receptores de
televisión y radio, láseres de pulso, sensores
de bolsas de aire, unidades de flash
electrónicas para fotografía y en los botones
de las computadoras.
Descripción del fenómeno.
La forma en que un capacitor se carga para
almacenar energía consiste en conectar cada
conductor a la terminal de una FEM (Fuerza
Electro Motriz), en el caso de un capacitor de
placas paralelas son los conductores.
En la placa que quedará cargada
negativamente la batería actúa como una
fuente de diferencia de potencial, que ejerce
un campo eléctrico en el alambre conectado a
la placa; este campo produce que los
electrones del alambre se muevan sobre la
placa. El movimiento termina cuando el
alambre, la placa y la terminal de la batería
quedan con un mismo potencial eléctrico, en
este estado de equilibrio ya no existe
movimiento de los electrones. Para que la otra
placa tenga una carga positiva los electrones
se mueven de la placa al alambre, el
movimiento de electrones se detiene de igual
forma cuando el alambre, la placa y la terminal
tienen el mismo potencial eléctrico.
La capacitancia depende de ciertas
propiedades presentes en el capacitor:
1. El área de las placas es proporcional
a la cantidad de energía que puede
almacenar el capacitor (capacitancia).
2. Si la distancia entre las placas
disminuye, el valor de la capacitancia
es mayor.
3. A mayor constante dieléctrica del
material aislante utilizado, la
capacitancia es mayor.
Si el área de las placas es grande, las cargas
que se acumulan pueden distribuirse de
manera sustancial y almacenar más energía a
diferencia de un capacitor con placas
pequeñas.
Si la distancia entre las placas disminuye, el
campo eléctrico aumenta, lo que produce una
disminución en la diferencia de potencial de la
placa (cargada negativamente), esto genera
un movimiento de electrones del alambre a la
placa aumentando su capacitancia.
El material que separa a las placas de los
capacitores sea vacío u otra sustancia es un
dieléctrico. Un dieléctrico es un material no
conductor. Éste genera una disminución en la
diferencia de potencial de las placas lo que
aumenta la capacitancia del condensador.
Existen diferentes materiales que funcionan
como dieléctricos, algunos producen un
aumento en la capacitancia debido a que
tienen una constante dieléctrica mayor
respecto a otros.
Verduzco López Yadira Esmeralda. Santillán Orta Monserrat Paola.
Imagen 1. Capacitor de placas paralelas.
Estos funcionan debido a la polarización de
las moléculas del material (sean polares o no
polares). La polarización se genera por la
interacción de un campo eléctrico externo, el
cual se produce por la carga de las placas del
capacitor, esto genera que las moléculas se
alineen. La polarización del dieléctrico genera
un campo eléctrico contrario al campo
producido por las placas, así que el campo
total del sistema disminuye. Al disminuir el
campo el equilibrio electrostático se pierde y
ocurre un movimiento de electrones, cargando
de nuevo el capacitor.
Imagen 2. Diferentes materiales dieléctricos con sus respectivas constantes.
Relación entre la estructura y sus
propiedades.
La mayoría de los capacitores se utilizan en
circuitos eléctricos alternos. Esto requiere que
los dipolos se reorientan rápidamente bajo un
campo eléctrico que cambia rápidamente. No
todos los mecanismos de polarización
responden igualmente rápido a un campo
eléctrico alterno. Por ejemplo, muchas
moléculas son relativamente lentas en la
reorientación.
Las propiedades eléctricas se atribuyen a
estructuras no centro simétricas, pues para
que exista una propiedad eléctrica la
estructura debe de polarizarse. Algunos
ejemplos de estas estructuras son: perovskita
(BaTiO3), bronce (PbNb2O6), pirocloro
(Cd2Nb2O7) y perovskitas múltiples (Bi4Ti3O12).
El titanato de bario, posee un dipolo
permanente que frente a un campo eléctrico
externo se alinea rápidamente. Esto puede
explicarse ya que en la estructura BaTiO3, los
iones de oxígeno cargados negativamente y el
ion Ti4+ cargado positivamente están
ligeramente desplazados de sus posiciones
simétricas. Esto da como resultado un
momento de dipolo permanente a lo largo del
eje c dentro de la celda unitaria.
Imagen 3. Perovskita no centro simétrica, se observa al Ti4+ desplazado hacia arriba generando
un dipolo.
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CELDAS SOLARES Por: Gómez Israel y González Pliego Rebeca
Celda fotovoltaica (solar)
Una celda solar consiste de una barrera potencial de energía en un material semiconductor que es capaz de separar los electrones-huecos generados por la absorción de la luz en el semiconductor. La conversión de la energía solar en energía eléctrica, depende del efecto fotoeléctrico. La celda solar también convierte energía solar a energía térmica. Dentro de las aplicaciones hay una gran variedad ya que las celdas solares pueden ser capaces de funcionar como calentadores de agua que no usen hidrocarburos como combustible, sistemas de bombeo de agua para riego, alumbrado público, casetas de teléfono, para otorgar energía para sistemas autosustentables amables con el ambiente.
Materiales constituyentes:
Las celdas fotovoltaicas más comunes están constituidas por dos tipos de Silicio mono cristalino. Silicio tipo “n” y Silicio tipo “p”
Tipo n Tipo p
Con electrones libres dentro de la red
cristalina.
Con huecos disponibles dentro de la red cristalina.
Fenómenos que están involucrados Dentro de la generación de corriente eléctrica está involucrado el fenómeno llamado fotovoltaico (fotoeléctrico) el cual consiste en la absorción de fotones por materiales capaces de emitir electrones tras la absorción de una pequeña cantidad de energía asociada al fotón absorbido.
Para la generación de calor, se utiliza la energía solar térmica, que consiste en aprovechar la radiación del sol directa, para calentar fluidos que circulan por el interior de captadores solares térmicos. Transformación de energía solar a eléctrica
Para separar las cargas eléctricas, las celdas deben tener un campo eléctrico interno, para esto se necesita que cuando se absorba la radiación en la celda los electrones que se liberan por el efecto fotoeléctrico deben ser separados y dirigidos hacia un circuito eléctrico interno para así producir electricidad. Para esto se utilizan dos materiales semiconductores tipo “n” (o negativo) que tiene un exceso de electrones y tipo “p” (o positivo) que tiene un exceso de huecos. Al unir estos materiales de crea una interface p-n que propicia a su vez el campo eléctrico interno. l. Cuando la luz incide rompe el par [electrón—hueco] ll. El campo eléctrico permanente generado por el contacto de de las superficies n-p los separa evitando su recombinación (e- en “n” y huecos en “p”) lll. Mediante un conductor externo se conecta la capa negativa “n” a la capa positiva “p”. Generando así el flujo de electrones de la zona “n” a la zona “p”. Nota importante: Mientras la luz incida habrá corriente eléctrica, y su intensidad de corriente será proporcional a la cantidad de luz que reciba (fotones).
Flujo de electrones
Energía que deben tener los fotones Deben tener una energía mayor a el ancho de banda prohibida (Eg) [=] eV
Si el material de la celda tiene una Eg muy pequeña se desperdiciará mucha energía.
Si el material tiene una Eg muy grande esta se mostrará transparente a la mayoría de los fotones incidentes.
El valor óptimo de Eg es de 1.5 eV
Sistema fotovoltaico y clasificación Un sistema fotovoltaico es el conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos que se emplean para captar la energía solar y convertirla en energía eléctrica. Se clasifican en: Aislados: Cuyo objetivo es satisfacer la demanda eléctrica de manera total o parcial en lugares donde no existe una red eléctrica. Pueden o no tener baterías de acumulación de energía. Conectados a la red eléctrica: No poseen baterías de acumulación y están conectados directamente a la red eléctrica, cuentan con sistemas de seguimiento de la tensión en la red referentes a la manera en que se suministra la energía. Híbridos: Se le llaman así cuando al sistema se le implementa otro tipo de generador (sin importar la forma de generar la energía) Características químicas y estructurales El silicio es el material más común en las celdas fotovoltaicas; se obtiene a partir de elementos como arena o cuarzo. Una celda solar clásica está constituida por una placa delgada monocristalina de silicio (300 a 500 μm) dopada para crear la barrera que separa carga positiva y negativa. La ceda se obtiene usualmente a partir de un lingote mono cristalino de silicio que es cortado al espesor deseado. La fabricación de lingotes de silicio es un proceso común para obtener el material empleado en la industria electrónica y en forma general se obtiene a partir de silicio fundido. Para conseguir la impurificación del material, el silicio fundido es dopado con boro a un nivel de alrededor de 1016 átomos/cm3, dando lugar a otro material base tipo p. Después éste se calienta a una temperatura de alrededor de 1000°C en un horno de difusión con una atmósfera de fósforo por cierto tiempo. Como resultado del proceso anterior se crea una capa de un semiconductor tipo n con un nivel de orden de 1019 átomos/cm3 y de espesor aproximado a 0.1 μm. Este proceso permite obtener la interface p-n.
Debido a que el proceso de difusión de fósforo crea también una capa tipo n en la parte posterior, el siguiente paso es eliminar esta capa tipo n en la parte posterior, mediante un ataque químico. A continuación se crea una rejilla de contactos eléctricos en la superficie tipo n empleando diferentes metales: oro, cobre, o níquel. Este contacto corresponde al contacto negativo. La parte tipo p se cubre en forma completa, empleando aluminio, para crear el contacto positivo. El paso final es el depósito de una capa protectora y antirreflejante sobre la superficie que absorberá la luz. El proceso descrito previamente es el necesario para obtener una celda solar clásica basada en silicio que comúnmente alcanza eficiencias de entre 14% y 15%.
Las celdas solares se unen para formar sistemas fotovoltaicos o sistemas solares eléctricos que a su vez está formado por múltiples celdas solares. Las celdas solares se unen en forma de módulos que a su vez se pueden combinar y conectar para formar arreglos de celdas solares de diferentes tamaños y
salidas de potencia.
Los módulos del arreglo de las celdas conforman la mayor parte del sistema fotovoltaico que también puede incluir conexiones eléctricas, montaje de hardware, equipo de condicionamiento de potencia y baterías que almacenan la energía solar para cuando no se está obteniendo radiación solar.
BIBLIOGRAFÍA
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Gurevich, Yuri, G. Miguel Meléndez Lira (2012) - Fenómenos de contacto y sus aplicaciones en celdas solares México: Ed.Fondo de cultura económica,
Javier María Méndez Muñiz, Rafael Cuervo García (2000) - Energía solar fotovoltaica España: Fundación confemetal.
Gilberto Enríquez Harper(2000) - Fundamentos de electricidad, Volume 1 Ed. Limusa: México
Vite Velázquez Giselle Aracely
Celdas de combustible
Descripción general: Las celdas de combustible son aparatos electroquímicos análogos a las baterías convencionales. Sin embargo, a diferencia de las baterías, que pueden suministrar energía solo por un tiempo definido, luego del cual hay que recargarlas o remplazarlas, la celda de combustible puede operar continuamente. Una celda de combustible es un sistema de flujo estable, en el cual el combustible y el oxidante se suministran desde una fuente externa que provee un medio de transformar energía química en eléctrica, sin combustión y sin contaminar el aire ni el agua, en un proceso continuo y directo mediante reacciones de reducción y oxidación en presencia de un catalizador, y elimina los productos de la reacción. De igual manera, no hay cambio en la composición química del electrolito o de ambos electrodos. La reacción química que ocurre en la celda de combustible es isotérmica y continua. Las celdas de combustión no están limitadas únicamente por el principio de Carnot, por lo que pueden alcanzar una mayor eficiencia teórica en la conversión de energía.
Aplicaciones tecnológicas: Tradicionalmente el desarrollo de las celdas de combustible había sido dirigido a sistemas con alta confiabilidad pero también con un alto costo, tal es el caso de las misiones espaciales de la National Aeronautics Space Administration (NASA), en donde el desempeño es de mayor importancia y el costo no es prioritario. Como consecuencia de esto, los diseños realizados, los materiales empleados y los sistemas de control desarrollados han reflejado esta situación y, en muchos casos, tales sistemas han sido sobre-diseñados para aplicaciones comerciales que son sensibles al costo. En términos generales la competitividad en costos y el desempeño de una tecnología de generación de energía eléctrica es cada día más importante. El aliciente actual es el gran número de beneficios y ventajas que ofrecen las celdas de combustible, lo que sigue ubicándolas como la tecnología que habrá de reinar en este siglo y quizá en los que le sigan. Existen dos aspectos que son los más importantes obstáculos a salvar antes de poder tener un uso extendido de aplicaciones basadas en tecnología de celdas de combustible: sus costos iniciales y la infraestructura requerida para dicho uso. El primer aspecto se encuentra relacionado directamente con el costo en la fabricación de las celdas y los sistemas que integran las aplicaciones específicamente. En el caso de la infraestructura requerida, es claro que la disponibilidad del combustible a usarse, idealmente hidrógeno, no ha tenido un desarrollo extendido quizá principalmente porque no se había requerido en esta sociedad basada en el uso de combustibles fósiles. Esta disponibilidad incluye la producción del hidrógeno, su almacenamiento y su distribución, además de otros factores asociados a ello, como aspectos de seguridad y normatividad para su uso. Sin embargo, es en este terreno en el que la tecnología está en mayor ventaja para la producción de hidrógeno, en especial, en aspectos ligados a la seguridad en su empleo. A lo que se debe que este gas ha sido usado en muchas industrias, como la del petróleo en el hidrotratamiento de aceites pesados; también ha sido usado en el sector eléctrico como refrigerante de turbinas; en la industria metalúrgica para el tratamiento
en la fabricación de aleaciones y hasta en la industria alimenticia por ejemplo en la hidrogenación de aceites.
Descripción fenomenológica: En una celda de combustible, el combustible y el oxidante reaccionan isotérmicamente, por lo cual se produce una reacción en cada electrodo por separado. Una reacción ocurre en la superficie y manda los electrones liberados a un circuito eléctrico externo, y en la superficie del otro electrodo ocurre una reacción que recibe electrones del circuito externo que cuando se combinan con el oxidante crean iones. Los iones se combinan en el electrolito para completar la reacción total. El electrolito, que no es un conductor eléctrico, transporta los iones entre los electrodos, para completar el circuito y continuar con el flujo de electrones. La celda está compuesta por electrodos, electrolitos y combustible (hidrógeno, gas natural e hidrocarburos ligeros).
Relación estructura-propiedades: La eficiencia global de una pila es el producto de la eficiencia electroquímica por la eficiencia calorífica. La eficiencia electroquímica es el producto de la eficiencia voltaica y la eficiencia faradaica. La eficiencia termodinámica depende del cambio de energía libre de reacción de la celda, que puede ser convertida totalmente a energía eléctrica. En una pila funcionando, el voltaje de la pila siempre es menor que el valor máximo posible, llamado potencial reversible. La diferencia entre el voltaje de trabajo de la pila y el reversible, se denomina polarización, la cual puede ser de transferencia de carga, de difusión, de reacción o de resistencia. Todas estas polarizaciones o sobrepotenciales afectan negativamente el rendimiento de una pila. Los fenómenos de activación y transporte de masas dependen directamente de la temperatura, por lo que tienen un efecto significativamente menor a medida que esta aumenta. Así, en la medida del rendimiento de una celda de combustible, estos fenómenos casi no se observan y el rendimiento depende fundamentalmente de la conductividad y el grosor del electrolito.
Bibliografía
Celdas de combustible: Una alternativa amigable con el medio ambiente para la generación de potencia y su impacto en el desarrollo sostenible de Colombia en el siglo XXI. Acuña Garrido, F. Ventura Muñoz, Y. Universidad del norte, 2001.
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Investigación química: pilas de combustible. J.C. Ruiz-Morales, et al. Real Sociedad Española de Química. Salamanca, 2004.