Hipertermia: ¿La bala mágica contra el cáncer?

Introducción

La hipertermia es un aumento de la temperatura corporal por arriba de los 37.5°C. Desde hace muchos años, se

ha utilizado esta técnica para destruir tumores; al elevar la temperatura de las células cancerígenas (células

hipóxicas), se mejora la oxigenación y la quimiosensitividad, lo cual encoge el tumor. Uno de los retos más

importantes en la aplicación de la hipertermia, es poder elevar la temperatura de las células cancerígenas (42.5-

44°C) sin dañar los tejidos sanos. La hipertermia con nanopartículas magnéticas (MNP´s, por sus siglas en inglés)

promete resolver este problema. Esta técnica se realizó por primera vez en 1957, usando nanopartículas de

magnetita (γ-Fe2O3). Las MNP´s son una clase de nanopartículas que pueden ser manipuladas a través de campos

magnéticos. Dichas partículas suelen estar compuestas por un material magnéticos (Fe, Ni, Co) y de un ligante

que le brinda funcionalidad. El ligante permite que las MNP´s únicamente se acumulen en los tumores, donde

posteriormente absorben energía del campo magnético aplicado y convierten esa energía en calor. El proceso

de calentamiento se activa al aplicar un campo magnético de frecuencia y amplitud adecuada que no afecta el

cuerpo humano. (Garaio et al., 2015)

¿Qué son las MNP´s?

Las MNP´s tienen diversas aplicaciones en biomedicina, resonancia magnética, administración de fármacos e

hipertermia magnética gracias a que son biocompatibles, no tóxicas e inyectables. Las nanopartículas que se

usan en biomedicina suelen tener tamaños de partícula entre 10 y 50 nm. En este intervalo de tamaños, las

nanopartículas generalmente se transforman en un dominio magnético único y muestran un comportamiento

superparamagnético cuando la temperatura se encuentra por encima de una temperatura específica llamada

“temperatura de bloqueo”. En condiciones de estado superparamagnético, una nanopartícula posee un gran

momento magnético y se comporta como un átomo paramagnético gigante con una respuesta rápida a campos

magnéticos aplicados, manifestando una remanencia y coercitividad1 despreciable.

Para hipertermia, las MNP’s deben presentar valores de magnetización de saturación altos (Ms). Esto debido a

que altos valores de Ms derivan en una gran disipación de energía térmica en células tumorales, además de que

brindan mayor control del movimiento de las MNP’s en la sangre usando un campo magnético externo.(Alonso

et al., 2015; Hyperthermia, 2015)

Por otro lado, las MNP’s que se apliquen en hipertermia deben ser estables, por lo que se prefieren

superparamagnético, ya que, en la ausencia de un campo magnético aplicado, pierden su magnetismo, a

temperaturas por encima de la temperatura de bloqueo. Esto evita la agregación de las partículas, manteniendo

la estabilidad coloidal. Además con este tamaño de nanopartícula, se reducen las interacciones dipolo-dipolo,

minimizando la agregación de las partículas en la existencia de un campo magnético aplicado.

Existen cinco factores que determinan las propiedades magnéticas de nanopartículas:

Propiedades geométricas de la partícula.

Interacciones magnéticas intra-partícula.

Interacciones magnéticas inter-partículas.

Interacciones magnéticas entre la partícula y el medio material.

Interacciones magnéticas entre la partícula y el campo magnético aplicado.

1 Para un material ferromagnético, la coercitividad es la intensidad del campo magnético que se debe aplicar al material para reducir su magnetización a cero después de haber sido magnetizado hasta saturación. (Ito et al., 2005)

La mayoría de los materiales magnéticos presentan cierto tipo de anisotropía que afectan su comportamiento

magnético. La anisotropía dominante en nano partículas es aquella que ocasiona que la magnetización se vea

fuertemente influenciada por la forma de la muestra. (Hyperthermia, 2015)

¿Cómo funcionan las MNP´s?

Esta terapia se basa en el hecho de que las MNP´s pueden transformar la energía electromagnética en energía

calorífica a través de la pérdida de histéresis. Como consecuencia, si las MNP´s se insertan en el tumor, y el

paciente se coloca en un campo magnético alterno, la temperatura del tumor se elevará.

Muchos materiales magnéticos presentan una histéresis magnética cuando son sometidos a campos

magnéticos alternos. El área dentro del ciclo histérico representa el intervalo de trabajo donde el trabajo es

irreversible, por lo que el material disipará la energía en forma de calor. Aunque en muchos procesos la

disipación de calor es indeseable, resulta increíblemente favorable en el caso de la hipertermia. La potencia

con la que se disipa la energía calorífica es llamada SAR (Specific Absortion Rate por sus siglas en inglés), y suele

expresarse en watts por gramo de nanopartícula. Cuando un material ferromagnético es sometido a un

campo magnético externo, sus dipolos magnéticos se alinean con el campo. Cuando el campo externo es

retirado, parte de los dipolos magnéticos quedan alineados, se dice que el material ha quedado magnetizado.

El fenómeno de histéresis depende de dos factores: de la rotación de la magnetización, y del tamaño y número

de dominios magnéticos2. (Alonso et al., 2015; Garaio et al., 2015; Ito, Shinkai, Honda, & Kobayashi, 2005)

Nuevas líneas de investigación

El futuro de la hipertermia mangética está en el desarrollo de nuevas nanoestructuras que prsenten un mayor

SAR con una menor concentración de nanopartículas. Estudios teóricos han predicho que el uso de

nanopartículas de Fe o FeCo con momentos magnéticos más grandes y una mayor anisotropía magnética,

mostrarán mejores resultados que las nanopartículas de óxidos de Fe (magnetita) porque se pueden conseguir

mayores números de SAR con tamaños de partícula menores. (Alonso et al., 2015)

Los magnetoliposomas parecen ser un excelente vehículo molecular de nanopartículas. Este tipo de vesículas

consisten de nanopartículas magnéticas envueltas en una bicapa lipídica (liposoma). Los liposomas presentan la

capacidad de encapsular medicamentos o partículas. Además, su biocinética es particularmente favorable.

También, la superficie de los lisosomas puede ser químicamente modificada para que ataque tejidos

específicos. (Ito et al., 2005)

Alonso, J., Khurshid, H., Sankar, V., Nemati, Z., Phan, M. H., Garayo, E., … Srikanth, H. (2015). FeCo nanowires with enhanced heating powers and controllable dimensions for magnetic hyperthermia. Journal of Applied Physics, 117(17). https://doi.org/10.1063/1.4908300

Garaio, E., Sandre, O., Collantes, J.-M., Garcia, J. A., Mornet, S., & Plazaola, F. (2015). Specific absorption rate dependence on temperature in magnetic field hyperthermia measured by dynamic hysteresis losses (ac magnetometry). Nanotechnology, 26(1), 15704. https://doi.org/10.1088/0957-4484/26/1/015704

Hyperthermia, E. (2015). Magnetic Properties of Magnetic Nanoparticles for Efficient Hyperthermia. Nanomaterials, (5), 63–89. https://doi.org/10.3390/nano5010063

Ito, A., Shinkai, M., Honda, H., & Kobayashi, T. (2005). Medical application of functionalized magnetic nanoparticles. Journal of Bioscience and Bioengineering, 100(1), 1–11. https://doi.org/10.1263/jbb.100.1

2 Un dominio magnético es la región donde el material presenta una magnetización uniforme. Esto quiere decir que los momentos magnéticos de los átomos están alineados. (Ito et al., 2005)

Los materiales porosos tienen una gran importancia porque los poros y cavidades que poseen en sus estructuras

permiten la difusión de distintos tipos de moléculas por medio de ellos. Recientemente han aparecido como una

nueva e importante clase de materiales porosos los denominados Metal-organic framework (MOFS.)

Son una clase de materiales cristalinos formados por la unión de átomos o agregados metálicos a través de

ligados orgánicos. Los MOFs han dado lugar al desarrollo de una nueva área en la ciencia de materiales gracias

a su combinación de las aplicaciones de la química inorgánica con la versatilidad de la química orgánica y la

riqueza estructural de la química del estado sólido.

Se le asignó este término a una familia de sólidos híbridos sintetizados a partir de iones metálicos y ligandos

orgánicos capaces de formar estructuras en una, dos o tres dimensiones cuya característica principal es la de

poseer alta área específica superficial con una gran estabilidad química y térmica; además de que cuentan con

una alta porosidad. En otras palabras son una clase de materiales cristalinos formados por la unión de átomos o

agregados metálicos a través de ligandos orgánicos típicamente (aunque no siempre) moléculas aromáticas

rígidas, y por otro lado los centros metálicos.

Entre las aplicaciones más destacadas de estos materiales, se pueden nombrar: purificación, separación y

almacenamiento de gases y catálisis de reacciones heterogéneas, entre otras. Los MOFs cuentan con grandes

ventajas respecto de otros materiales porosos como la zeolita o el carbón activado: dada la enorme cantidad de

combinaciones posibles entre los diferentes ligandos orgánicos y metales, pueden obtenerse MOFs con las

propiedades específicas que se deseen. Es posible también sintetizarlos a temperatura ambiente y con métodos

ecológicamente sustentables en los que se

reemplaza el uso de solventes orgánicos por

reacciones en fase sólida o asistidas por

líquidos inocuos (síntesis

mecanoquímicas).

El término MOF es general y se refiere a

una gran familia de estos compuestos

híbridos (Figura 1); es posible “diseñar”

MOFs con características específicas

debido a que el control estructural en los

MOFs está basado en el hecho de que bajo

ciertas condiciones de síntesis y

combinando elementos metálicos con los grupos funcionales de los ligandos se pueden generar diferentes

clústeres con una determinada geometría y conectividad.

Aunque no limitado a ellos, los ligandos con ácidos carboxílicos aparecen como los más ampliamente

empleados para la formación de MOFs, y por esto se han descrito un gran número de clústeres metálicos

formados por la combinación de distintos metales con este tipo de ligandos. Estos agregados metal-carboxilato

forman las unidades de construcción secundarias en

los MOFs (SBUs por sus siglas en inglés), y por la

unión de estas SBUs a través de las moléculas

orgánicas se generan las redes con distintas

características estructurales y topológicas,

dependiendo de la geometría y el grado de

conectividad de la SBU y del ligando orgánico. En

general, elementos donde el número y entorno de

coordinación es altamente variable hacen que la

predicción de la estructura final sea más difícil.

Estos compuestos se diseñan de modo tal de obtener

cierto tamaño de poro para retener selectivamente

una molécula determinada razón por la cual se les

denomina también como un nuevo mecanismo de

control de la porosidad en materiales

moleculares, que permite la introducción de

Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de Química

METAL-ORGANIC FRAMEWORKS (MOFS)

Cruz Mojica Karen Guadalupe

Santuario Manrique Zandalie D.

moléculas a través de las cavidades de su estructura.

Las redes que forman los MOFs pueden ser clasificadas por los nodos y los conectores que unen estos nodos. El

grado de conectividad de cada nodo, y la forma en la que se une a otros nodos adyacentes determinan las

características de una u otra red. Por ejemplo, la red llamada pcu (cúbica primitiva) está formada por la unión de

un único tipo de nodo que se une a un total de otros seis nodos equivalentes al original. (MOFs) o redes metal-

orgánicas poseen "una gran riqueza química gracias a su naturaleza modular".

De manera más técnica los MOFs tienen como relevancia la importancia de ser materiales cristalinos generados

por la asociación de iones metálicos, que son enlazados a través de moléculas orgánicas que generalmente

forman estructuras tridimensionales. Estos sistemas cristalinos se basan en cavidades que pueden llegar a ser de

dimensiones moleculares. Generalmente estas cavidades tienen tamaños que pueden clasificarse como

microporosos (con una porosidad de tamaño inferior a 2 nm) o incluso mesoporosos (porosidad entre 2 -50 nm).

Además de que estos materiales pueden exhibir porosidad permanentemente.

Los MOFs se componen de dos componentes principales:

Un ión metálico o un grupo de iones metálicos y una molécula orgánica llamada enlazador. Por esta razón, los

materiales son a menudo materiales orgánicos-inorgánicos razón por la cual se les denomina híbridos, sin

embargo, el uso de esta terminología recientemente se ha desalentado explícitamente. Las unidades orgánicas

son típicamente mono-, di-, tri-, o tetravalentes ligandos. Y la elección del metal y el enlazador que dictan la

estructura y, por tanto, las propiedades de la MOF. Por ejemplo, el metal de coordinación preferencia influye en

el tamaño y la forma de los poros por dictar el número de ligandos se pueden unir al metal y en el que la

orientación.

Como la mayoría de los materiales estos pueden tener defectos estructurales, los cuales también juegan un papel

importante en el desempeño de los MOF. La absorción de hidrógeno a temperatura ambiente a través de un

puente de derrame se rige principalmente por defectos estructurales, que pueden tener dos efectos:

1) un marco parcialmente colapsado puede bloquear el acceso a los poros; Reduciendo así la absorción

de hidrógeno, y

2) defectos en la red pueden crear una intrincada serie de nuevos poros y canales que causan el aumento

de la absorción de hidrógeno. [38]

Los defectos estructurales también pueden dejar que los nodos que contienen metales estén incompletamente

coordinados. Esto mejora el rendimiento de MOF utilizados para el almacenamiento de hidrógeno por el

aumento del número de centros metálicos accesibles. Por último, defectos estructurales pueden afectar el

transporte de fonones , que afecta a la conductividad térmica de la MOF.

Merece la pena destacar que gracias a su naturaleza modular, los MOFs poseen una riqueza química y

estructural difícil de encontrar en otra clase de materiales. El enorme número de posibles variaciones en sus

componentes da lugar a materiales que encuentran aplicaciones en muy diversos campos de la ciencia de

materiales, como la catálisis heterogénea, la adsorción de gases, óptica, magnetismo, etc. Además de

almacenamiento, los MOFs tienen gran interés para la separación de gases. Un proceso efectivo de separación

de gases a través de materiales porosos puede ser debido a una adsorción selectiva basada en las diferencias de

tamaño o forma de las moléculas de gases. Otra aplicación de los materiales MOFs es su uso como

catalizadores heterogéneos. Los catalizadores heterogéneos ofrecen claras ventajas gracias a su reciclado y

reutilización. En muchos casos, sin embargo, su actividad es menor que la de los catalizadores homogéneos.

Una de las ventajas de utilizar MOFs como catalizadores heterogéneos es su gran porosidad que permite el paso

de los reactantes a través de los poros, de manera que hay un mayor número de centros activos accesibles. Por

otro lado, la naturaleza híbrida de los MOFs permite incorporar centros activos en los centros metálicos.

Referencias:

Li, Jian Rong; Sculley, Julian; Zhou, Hong-Cai. (2011). “Metal- Organic Frameworks for Separations”. Chemical Reviews.

112, 869-932.

-The chemestry of metal-organic frameworks , synthesis,characterization and applications,Kaskel Stefan Volumen 1,

Editorial: John Wiley & Sons, número de páginas:500,páginas consultadas:135-156,213-238.

-Metal-Organic Framework Materials, Leonard R.et.al, Editorial: John Wiley & Sons, Numero de páginas:592,páginas

consultadas: 98-115 y 147-153.

https://dialnet.unirioja.es/descarga/articulo/4042828.pdf

Ojeda Amante Ricardo S., Cornejo Martinez Luis F. 16 de Noviembre de 2016 Química del Estado Sólido 1500

Piezoeléctricos

La piezoelectricidad es una propiedad reversible y son aquellos materiales en los cuales la aplicación

de un campo eléctrico produce la polarización y éste induce a un cambio en la constante de celda

del material, a esto se le llama efecto indirecto. E inversamente, a la aplicación de una presión o

estiramiento, la polarización ocurre y resulta en la generación de un voltaje a través del cristal, a

esto se le llama efecto directo.

Las ecuaciones de estado que describe un cristal piezoeléctrico en función de sus propiedades elásticas y eléctricas son:

𝐷 = 𝑑𝑇 + 𝜀𝑇𝑃 … (1) Efecto Directo

𝑆 = 𝑠𝑃 + 𝑑𝑃 … (2) Efecto Indirecto

Donde la d es un coeficiente de piezoelectricidad, 𝜀 la permitividad, P la polarización, s la fragilidad y T la tensión aplicada, los superíndices indican la variable que se mantiene constante. Un parámetro importante es k2 que es una medida del material para convertir energía eléctrica en energía mecánica o viceversa.

𝑘2 =𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑚𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑚𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑎… (3)

Las constantes piezoeléctricas son anisotrópicas y se expresan en forma de tensores, d31 representa

que la tensión se lleva a cabo en el eje 3 y que la dirección del campo eléctrico se lleva en el eje 1

que es perpendicular al 3.

Para entender la naturaleza del efecto se explica los ferroeléctricos, estos materiales aún después

de haber aplicado voltaje hay una polarización residual, lo que indica que tienen dipolos eléctricos

permanentes a un nivel de celda unitaria como consecuencia de un arreglo atómico dentro de la

celda y este dipolo eléctrico puede alinearse espontáneamente con las celdas unitarias adyacentes

para dar una polarización neta, también, para que sea ferro eléctrico la polarización debe cambiar

de dirección tras la aplicación de un campo eléctrico mucho mayor, esto es, la polarización debe ser

reversible con el campo eléctrico.

La ferroelectricidad sólo puede ocurrir en estructuras cristalinas no centro simétricas, de las 32

clases cristalinas 21 son no centro simétricas, de las cuales 20 son piezoeléctricas; la tensión produce

un cambio en la polarización. Sólo 10 de las 21 son polares en ausencia de una tensión, estas 10

clases son piroeléctricas; cambios de temperatura causa cambios en la polarización debido a la

expansión térmica. Lo anterior significa que los cristales ferroeléctricos también son piro y piezo

eléctricos.

La relación que existe entre el campo eléctrico y la polarización se puede ver a través de un ciclo de

histéresis, debido a que la polarización no es del todo reversible con el campo eléctrico. En este ciclo

hay una polarización máxima para un campo eléctrico determinado, la forma de este ciclo es

determinante para la propiedad de piezoelectricidad

La conexión de esta propiedad y de la estructura o la forma de la celda unitaria se ve a través de la

perovskita, esta estructura tiene, en principio, un arreglo FCC con una fórmula ABO3 donde A y B

difieren en tamaño, A es el más grande y ocupa los vértices del cubo, los oxígenos están en el centro

Ojeda Amante Ricardo S., Cornejo Martinez Luis F. 16 de Noviembre de 2016 Química del Estado Sólido 1500

Piezoeléctricos

de las caras y B está al centro del cubo. En las estructuras tetragonal y ortorrómbica la distancia del

oxígeno con B en el octaedro es mucho mayor de lo necesario, esto causa que el ion B sea fácilmente

desplazado del centro del cubo hacia una cara causando un cambio en la simetría.

En la figura se muestra la estructura del BaTiO3, las esferas azules es el Ti, las esferas rojas el O y los

azules el Ba.

Para BaTiO3, que tiene una estructura tipo perovskita, en su

estructura tetragonal, el ion Ti4+ es desplazado aproximadamente

0.12 Arnsgtroms del centro dando como resultado una estructura

no centro simétrica. Lo anterior da pie a un dipolo eléctrico

permanente para esa estructura.

Los materiales para piezoeléctrcos más usados comercialmente

debido a su alta k2 son una solución sólida de PbZrO3 y PbTiO3 que

se denomina PZT, y los PLZT son los anteriores pero dopados con

La.

En la solución sólida de PbZrO3 y PbTiO3 se maneja una composición alrededor de 1:1 que en un

diagrama de fase hay un cambio en la estructura a una temperatura constante, a esta composición

de los PZT tienen el mayor valor de k2. Estos materiales pueden ser dopados para mejorar sus

propiedades, por ejemplo, se dopa Nb5+ que remplaza al Zr4+ para una mejor sensibilidad, en este

ejemplo, la electro neutralidad se conserva con vacancias de Pb2+. Se puede también dopar de Fe3+

para su aplicación en transductores sonares y ultrasónicos de alta potencia.

También puede haber dopantes isovalentes, por ejemplo remplazar Pb2+ con Ba2+ o Sr2+ y el

remplazo de Zr4+ con Sn4+. Se reportan piezoeléctricos como Pb(Mg1/3Nb2/3)O3

Aunque la piezoelectricidad también se presenta en materiales que no son ferro eléctricos, ZnO o

Cuarzo, la magnitud del efecto de piezoelectricidad es mayor en ferroeléctricos como PZT y PLZT.

Referencias

West, Anthony R., Solid State Chemistry, 1999, Second Edition, Wiley. Yet-Ming C., Dunbar B. III, Physical Ceramics, 1997, First Edition, Wiley. Carter, C. Barry, Ceramic Materials, 2007, Second Edition, Springer.

Ledesma Pérez Diana Jael.

Iván Villa Pérez.

Pilas de Litio.

En 1912 G.N. Lewis, en 1912, diseñó una pila de litio que se comercializó recién

en 1970. Se desarrollaron baterías recargables de litio y se determinó que el ciclar

reduce su estabilidad térmica, causando una expansión interna, lo que produce

una reacción violenta, debido a esta inestabilidad, principalmente durante la carga,

la investigación se orientó a las baterías de ion-litio, aunque sus densidades

energéticas son más bajas que las del metal, más seguras y de mayor ciclabilidad.

En 1991, la empresa Sony comercializó la primera batería ion-Li, actualmente son

las baterías de mayor crecimiento en el mercado y se fabrican en diferentes

modelos y tamaños.

Las baterías de iones de litio, también denominadas batería Li-Ion, son

dispositivos diseñados para almacenar energía eléctrica, el funcionamiento de

estas se basa en procesos denominados de inserción- desinserción de iones litio.

xM + ª 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 (ª) en la estructura de otra especie

denominada Anfitrión (A). Estas están formadas por una sal de litio que sirve como

electrolito puesto que permite que haya reacciones reversibles, esta energía

química se lleva a cabo en celdas electroquímicas, consta de dos electrodos, un

electrolito y un circuito externo que pone en contacto eléctrico ambos electrodos.

Una de las ventajas de que las reacciones de esta celda electroquímica se lleven

a cabo en estado sólido, es que no dependen de la concentración de los reactivos.

En las baterías primarias de Litio, el electrodo negativo está constituido por litio

metálico y el positivo por un compuesto que actúa como anfitrión durante la

reacción de inserción, el electrolito puede ser una disolución de una sal de litio en

un solvente no acuoso.

En esta celda, durante la descarga en el electrodo negativo, se lleva a cabo la

oxidación de Litio metálico, produciendo un electrón, este es conducido a través

del circuito externo al electrodo positivo donde se produce la reacción de

reducción de la especie anfitrión así como la inserción de la especie huésped

(Li+).

Li ↔Li+ + 1 e-

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.

xLi + x e- + A ↔LixA

La reacción total durante la descarga será:

xLi A ↔LixA

Mediante carga, se produce la reacción contraria: el electrodo positivo, la

oxidación de la especie anfitrión mientras que en el negativo, se deposita el litio

metálico.

En el proceso de carga debemos aportar energía para invertir el sentido de la

reacción y así volver a un estado que nos permita descargar la batería de nuevo.

En pocas palabras, en la descarga de la batería ocurre una reacción de

intercalación del ión Litio en el anfitrión, y en la carga se da la “desintercalación”

del ión Litio en el correspondiente.

Para poder llevar a cabo todo este proceso, la oxidación del ión Litio y la reducción

del anfitrión deben ser procesos espontáneos.

La composición de las pilas de litio hace que su presión interna sea muy baja

antes, durante y después de la descarga, poseen un voltaje de salida muy estable

(3,6 voltios y 1,5 voltios) por eso las pilas de litio son ideales para circuitos CMOS.

La auto descarga de las pilas de litio es menor del 1% anual, su elevada densidad

de energía y su casi nula auto descarga las hace especialmente útiles.

La duración de las pilas de litio es mucho mayor que la de las pilas alcalinas,

duran hasta 4 veces más.

El peso de las pilas de litio es mucho menor que el de las pilas alcalinas y las pilas

recargables. Las pilas de botón de litio tienen una alta estabilidad ante los cambios

de ambiente, proporcionando un rendimiento estable entre -20ºC y +60ºC.

BIBLIOGRAFÍA.

- Brown Theodore, et al. QUIMICA GENERAL: La ciencia central. 2014.

Editorial PEARSON. Decimosegunda edición.

- Atkins P. W. FISICOQUIMICA. 1983. Editorial ADDISON-WESLEY

IBEROAMERICANA. Segunda edición.

- Shriver & Atkins. Química inorgánica. 2008. Editorial McGraw-Hill

Interamericana. Cuarta edición.

Universidad Nacional Autónoma de México Química del Estado Solido Superconductores Tipo I

Arrona Montero Roberto Alfonso Jiménez Mancilla Dante Alan

Superconductividad

Introducción

La resistividad eléctrica de muchos metales y aleaciones caerepentinamente a cero cuando la muestra se enfría hasta unatemperatura suficientemente baja, que frecuentemente es unatemperatura del orden de helio líquido. Este fenómcenodenominado superconductividad, fue observado por primera vezHammerlingh Onnes en Leiden en 1911, tres años después deobtuviese helio liquido por primera vez, A esta temperatura criticaTc la muestra sufre una transición de fase desde un estado deresistencia eléctrica normal a otro estado de superconductor.

En el estado superconductor la resistencia eléctrica es cero a tanpróxima a cero que se han observado corrientes eléctricasresistentes que fluyen sin atenuación en anillos superconductoresdurante más de un año.

En algunos materiales superconductores, especialmente losutilizados para imanes superconductores, se han observadotiempos de decaimiento finitos debido a que existe unaredistribución irreversible del flujo magnético en el material, laspropiedades magnéticas que exhiben los superconductores sontan notables como sus propiedades eléctricas. Las propiedadesmagnéticas no pueden explicarse mediante la hipótesis de que unsuperconductor es un conductor normal con resistividad cero.

Es Decir, es un hecho experimental que un superconductor en uncampo magnético débil actuara o se comportara como undiamagnético perfecto, con inducción magnética nula en suinterior. Cuando se coloca una muestra dentro de un campomagnético y luego se enfría a través de la temperatura detransición hasta obtener la superconductividad, el flujo magnéticooriginalmente presente es expulsado de la muestra, este efecto sedenomina efecto Meissner.

El estado superconductor es un estado ordenado de los electronesde conducción del metal. El orden consiste en la formación depares asociados no fuertemente ligados de electrones. Loselectrones se ordenan a temperaturas por debajo de latemperatura de transición y se desordenan cuando se supera latemperatura de transición

Presencia de la superconductividad

La superconductividad se presenta en muchos elementos metálicosdel sistema periódico y también en aleaciones, compuestosintermetalicos y semiconductores dopados. El margen de latemperaturas de transición conocidas hasta el momento actualse extiende desde el 92.5 K para el compuestos YBa2Cu3O6.9

hasta por debajo de 0.001 K, para el elemento Rh.

Destrucción de la Superconductividad mediante camposmagnéticos

Un campo magnético suficientemente intenso destruirá lasuperconductividad, el valor umbral o critico del campomagnético aplicado para obtener la destrucción de lasuperconductividad se designa por Hc(T) es una función de latemperatura , a temperatura critica el campo también lo es,Hc(Tc)=0

Efecto Meissner

Meissner y Ochsenfeld (1933) encontraron que si se enfría unsuperconductor en un campo magnético por debajo de latemperatura de transición entonces las líneas de inducción B seven expulsadas de la muestra; esto demuestra que unsuperconductor globalmente considerado se comporta como sidentro de la muestra B=0

No puede deducirse que el campo magnético siempre será 0 apartir de la hipótesis planteada al principio un superconductorcomo medio de resistividad cero, según la ley de Ohn, E=pJvemos que si la resistividad p tiende a cero mientra J semantiene finito, entonces E deberá ser nulo. Por una de laecuaciones de Maxwell dB/dt=a es proporcional a rot--8 demodo que implica que la resistividad sea cero dB/dt=0 , esterazonamiento no es totalmente aparente , pero nos dice que elflujo que atraviesa el metal no puede variar al enfriar a travésde la transición. El efecto Meissner contradice este resultado ysugiere que el diamagnetismo perfecto es una propiedadesencial del estado de superconductor

es de esperar otra diferencia entre un superconductor y un conductor perfecto , definido como un conductor en el cual los electrones tienen un recorrido libre medio infinito , si se resuelve en detalle el problema, resulta que un conductor perfecto cuando se le coloca un campo magnético no puede producir una pantalla

Figura 1: efecto meissner esquematizado

Bibliografía: Magaña, Luis Fernando, Los superconductores, Fondo de Cultura Económica, 2003, México

Dougherty, Ralph, Superconductivity Revisited, CRC Press, 2013, United States of America.

Kittel, Charles, Introducción a la Física del Estado Solido, Editorial Reverte, 1996, España

Universidad Nacional Autónoma de México Química del Estado Solido Superconductores Tipo I

Arrona Montero Roberto Alfonso Jiménez Mancilla Dante Alan

permanente a las corrientes de Foucault. La curva de magnetización esperada por el experimento de Meissner que se aplicó a una muestra en forma de cilindro macizo largo situado en un campo magnético longitudinal, el resultado para muestras puras de muchos materiales presentan este comportamiento ; se denominan superconductores tipo I o blandos. Los valores para de Hc son siempre demasiado bajos para los superconductores tipo I. Otros materiales presentan una caída en el valor Hc presentando un efecto vórtice estos son los superconductores tipo II. en el siguiente esquema se muestra un gráfico este comportamiento

En el marco teorico se tendría que presentar conceptos comolongitud de coherencia , la ecuación de London, banda prohibidaque son bases de la teoría en general, desde el aspecto cuántico en1957 se propuso una teoría que explica de manera ideal elcomportamiento de una superconductor.

Teoría BCS

Entre las conclusiones de o logros de la teoría BCS debemosincluir :

1.-Una interacción atractiva entre los electrones puede conducir aun estado fundamental separado de los estados excitadosmediante una banda prohibida de energía; las propiedadestérmicas y la mayoría de las propiedades electromagnéticas sonconsecuencias de esta banda de energía

2.- la interacción electrón red- electrón conduce a un intervaloprohibido de energía del valor observado. La interacción indirectaprosigue adelante cuando un electrón interacciona con la red y ladeforma; un segundo electrón ve entonces la red deformada y seajusta el mismo para aprovechar la ventaja de la deformación yconseguir que su energía disminuya, el segundo electróninteracciona con el primero a través de la deformación de red

3.La profundidad de penetración y la longitud de coherenciasurgen como consecuencia naturales de la teoría BCS , se obtienela ecuación de London para campos magnéticos que varían en elespacio, así pues el fenómeno central de la superconductividad, elefecto meissner, se obtiene de un modo natural

4. el criterio para la temperatura de transición de un elemento oaleación , involucra la densidad electromagnética de los orbitalesD(ef) de un espín en el nivel de fermi y la interacción electro-ion-red U, que puede estimarse a partir de la resistividad eléctricadebido a que la resistividad a temperatura ambiente es unamedida, de la interacción electrón ion fotón , en el caso deUD(ef)<<< 1 la teoría BCS predice que : Tc=1.14Θexp[-1/UD(ef)]

En donde Θ es la temperatura de Debye y U es una interacciónatractiva el resultado correspondiente a Tc es satisfecho a menoscualitativamente por los datos experimentales. Existe una aparenteparadoja interesante: cuando más alta es la resistividad de latemperatura ambiente más elevada es U, así es más probable queun metal sea superconductor cuando se enfria.

5.- el flujo magnético a través de un anillo superconductor estacuantizado y la unidad efectiva de carga es 2e en lugar de e. en elestado fundamental BCS Intervienen pares de electrones.

Tabla 1 superconductores tipo 1

Material Temperatura Critica K Iridio 0.01

Cadmio 0.56Galio 1.09Zinc 0.88

Osmio 0.66Rutenio 0.49

Aluminio 1.19Plomo 7.19Tantalo 4.48

Tungsteno 0.01Vanadio 5.30Nb3Sn 18.3Nb3Al 18.8Torio 1.37

Tantalio 4.48Renio 1.7Indio 0.14

Estaño 3.72Mercurio 4.15Lantano 5.91Niobio 9.46

Figura 2. En (a) curva de imanación en función del campo magnético aplicado presentando efecto meissner completo se le denomina un superconductor tipo I

En (b) curva de imanación de un superconductor tipo II, el flujo empieza a penetrar en la muestra a un valor de campo Hc1 inferior que el campo critico termodinámico Hc

Bibliografía: Magaña, Luis Fernando, Los superconductores, Fondo de Cultura Económica, 2003, México

Dougherty, Ralph, Superconductivity Revisited, CRC Press, 2013, United States of America.

Kittel, Charles, Introducción a la Física del Estado Solido, Editorial Reverte, 1996, España

Universidad Nacional Autónoma de México Química del Estado Solido Superconductores Tipo I

Arrona Montero Roberto Alfonso Jiménez Mancilla Dante Alan

Uranio 0.68V3Ga 15V3SiO 15Nb3Ge 23.30

Bibliografía: Magaña, Luis Fernando, Los superconductores, Fondo de Cultura Económica, 2003, México

Dougherty, Ralph, Superconductivity Revisited, CRC Press, 2013, United States of America.

Kittel, Charles, Introducción a la Física del Estado Solido, Editorial Reverte, 1996, España

Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de Química

Química del Estado Sólido

Cadena Aguilar Alejandro

Espinosa García Lluvia Angélica

Superconductores tipo II

La resistividad eléctrica de muchos metales y aleaciones cae repentinamente a cero, cuando estos se

enfrían repentinamente a bajas temperaturas, en presencia de un campo magnético e intensidad de

corriente eléctrica, a este fenómeno se le conoce como superconductividad, fue observado por primera

vez por Karmelingh Onnes físico holandés en la universidad de Leiden en 1911, Onnes descubrió que

la resistencia del mercurio caía bruscamente a cero a una temperatura de 4.2K, lo que indicaba que

pasaba a un nuevo estado, al cual llamo superconductor, también descubrió que el estaño y el plomo

pueden pasar a estado superconductor.

Existen materiales que bajo condiciones de

temperatura y un campo magnético, presentan

resistencia eléctrica casi nula y excluyen el

campo magnético de su interior, es decir son

diamagnéticos; esto quiere decir que cualquier

campo aplicado será expulsado del cuerpo del

material o aleación a este fenómeno se le

conoce como efecto Meissner, figura 1.

El diamagnetismo resulta de los cambios en el

movimiento orbital de los electrones que son

inducidos por un campo externo, el efecto es

pequeño y en dirección del campo aplicado.

Figura 1. Representación del efecto Meissner.

a) El campo magnético penetra el mismo

cuerpo del material una vez que se hace

conductor.

b) En el estado superconductor el cuerpo del

material (circulo), expulsa el campo

magnético de su interior.

La transición del estado superconductor al

estado normal es gradual y ocurre entre un

campo critico inferior Hc1 y un campo critico

superior Hc2, las líneas del flujo magnético

comienzan a penetrar dentro del cuerpo del

material a Hc1 y la penetración continúa

aumentando a medida que el campo aplicado

aumenta a Hc2 la penetración del campo es

completa.

Desde el punto de vista electrotécnico una

característica fundamental es su ausencia de la

resistencia por debajo de su temperatura crítica

y un campo crítico. Los superconductores tipo

II, permiten que se establezca un campo en su

interior cuando se supera Hc1.

Es importante resaltar el comportamiento de

un superconductor perfecto, ya te tienen un

comportamiento similar con los tipos II. Es

este conductor ofrece una paso de corriente

nula, lo cual implica que el campo en su

interior no varía. Cuando el campo cambia

hay corrientes que crean un campo opuesto,

para compensar dicha variación siguiendo la

ley de Faraday: 𝑓𝑒𝑚: 𝑅𝐼 − 𝐿𝑑𝐼

𝑑𝑡 Donde R y L son

la resistencia y la conductancia

respectivamente. En el conductor perfecto no

ocurre esto, por lo tanto se tiene que:

−𝑆𝑑𝐵

𝑑𝑡= 𝐿

𝑑𝐼

𝑑𝑡 por lo tanto LI+SB son

constantes.

Donde LI+SB es el flujo magnético total

dentro del material y es constante, probando

que el campo en su interior lo sea también.

Los factores que limitan la superconductividad

son la temperatura crítica Tc, el campo

a b

magnético Hc y la intensidad de corriente que

circula por el Jc.

La desaparición de la resistividad eléctrica, se

modeló en términos de emparejamiento de

electrones en la red cristalina por John

Bardeen, Leon Cooper, y Robert Schrieffer en

lo que comúnmente se llama la teoría BCS.

Los superconductores tipo II se prefieren a los

tipos I en muchas aplicaciones prácticas en

virtud de sus temperaturas y campos

magnéticos más altos. Los superconductores

más utilizados son las aleaciones de niobio-

circonio [Nb-Zr] y niobio-titanio [Nb-Ti].

La estructura de los superconductores no es

única por lo que se han desarrollado materiales

cerámicos que también son superconductores

con temperaturas críticas altas, la

investigación se ha centrado en el estudio del

óxido de itrio, bario y cobre YBa2Cu3O7, el

cual tiene una estructura cristalina compleja

del tipo perouskita y una temperatura critica de

95 K.

Los superconductores tipo II son

mecánicamente más duros que los

superconductores de Tipo I, exhiben mayores

campos magnéticos. Los superconductores de

Tipo II tales como el niobio-titanio (NbTi) se

usan en la construcción de imanes

superconductores para grandes campos.

Los superconductores de Tipo II, existen

normalmente en un estado mixto de regiones

normales y superconductoras. Este se llama a

veces estado vórtice, porque vórtices de

corrientes superconductoras, rodean

filamentos o núcleos de material normal.

Los usos más importantes son la generación de

electroimanes superconductores fuertes

(usados en MRI escáneres de RMN máquinas,

y los aceleradores de partículas) a menudo

usan el niobio-titanio o, para los campos

superiores, niobio-estaño.

Referencias

Charles Kittel, Introducción a la FÍSICA DEL

ESTADO SOLIDO, 3° edición, editorial

Reverte.

William D. Callister Jr; Introducción a la

Ciencia e Ingeniería de los Materiales,

Editorial Reverte.

Luis F. Magaña Solís, Los superconductores,

Editorial Fondo de cultura económica

Un semiconductor es una sustancia que aumenta su

conductividad eléctrica en respuesta a un incremento

en la temperatura principalmente, puesto que esta

característica física también puede ser modificada con

energía en forma de luz o adicionando ciertas

impurezas. Las características que describen a un

semiconductor pueden ser explicadas con base en la

teoría de orbitales moleculares que establece como se

deslocalizan los electrones y como estos son inducidos

para que ocurra una transición del band gap,

promoviendo así, la conducción eléctrica.

Los semiconductores se pueden clasificar por su

composición. Los compuestos usualmente utilizados

para producir una brecha de banda de

semiconducción (0.2-4 eV), contienen metales del

bloque p y metaloides de los grupos 13 y 14 que por

lo general se combinan con elementos de las familias

del nitrógeno y oxígeno que son pesados. Los

semiconductores no tienen una estructura cristalina

en particular, puesto que pueden presentar varias de

ellas. Por ejemplo, los semiconductores del grupo II/VI

comprenden los compuestos con Zn, Cd y Hg como

cationes y O, Se, Te como aniones, los cuales pueden

cristalizarse en fase de esfalerita cúbica o en fase

wurtzita hexagonal y ambas formas tienen

propiedades semiconductoras.

Tabla 1.-Propiedades de algunos semiconductores. (7)

A su vez, los elementos más utilizados para la síntesis

de semiconductores, que además son transparentes

son los óxidos metálicos. Comúnmente denominados

TCO, los óxidos conductores transparentes, se

fabrican como películas delgadas que recubren varios

dispositivos electrónicos lo que hace más amplia la

gama de aplicaciones y aumenta el interés en poder

optimizar las propiedades de estos materiales. A

principios de 1900, el CdO fue uno de los primeros

TCO’s investigados para celdas solares y

posteriormente el SnO2 también se utilizó para

paneles electroluminiscentes. Estos tipos de

materiales presentan una baja resistividad eléctrica y

una alta transmisión óptica en la región del visible.

Algunos de los TCO’s más comunes son: In2O3, SnO2,

Cd2SnO4, CdIn2O4 y ZnO, siendo los óxidos de indio y

estaño los más utilizados para su fabricación: en este

caso, el In2O3 es dopado con óxido de estaño, de tal

manera que los átomos de indio son reemplazados

por átomos de estaño, modificando sus propiedades

mecánicas, eléctricas y ópticas; a las vacancias de

oxígeno en la estructura, se les atribuye la

conductividad. Sin embargo, debido a que el indio es

escaso, se ha vuelto más costoso y se están buscando

nuevos materiales para su reemplazo, como por

ejemplo el uso de películas delgadas de grafeno.

Este y la mayoría de los semiconductores

transparentes se sintetizan por medio del método de

sol-gel y por deposición física de vapor, sin embargo

hoy en día existen otros métodos como rocío pirolitico

neumático y ultrasónico, pulverización catódica DC y

RF, sol-spray, evaporación térmica, etc.

Fig. 1.- Estructura cristalina del óxido de indio. (11)

La transparencia y la conductividad eléctrica de estos

materiales, son descritas por la teoría de bandas. En

los sólidos, hay traslapes de orbitales atómicos que

originan bandas de niveles de energía separados por

brechas, las cuales son los valores de energía en los

que no hay orbitales moleculares y se conocen como

band gap.

El band gap es responsable de que la absorción de luz

sea de tal manera que el sólido sea transparente

desde la radiación IR hasta la UV; cuando un fotón es

absorbido por la red cristalina, la longitud de onda del

fotón emitido no se encuentra, por lo tanto, en el

rango visible. El que existan elementos ajenos a la red

Semiconductores Transparentes Moreno Hernández Karla Anahì

1,

1Quimica, Facultad de Química

Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Química, Cd. Universitaria,

Coyoacán, C.P. 04510 México, D. F., México

cristalina original, permite controlar la energía del

band gap.

Los semiconductores transparentes suelen ser del tipo

n, lo que significa que los transportadores de carga

son negativos, es decir, que se transportan electrones.

El número de electrones transportados de la capa de

valencia a la de conducción puede aumentar si se

pueden introducir átomos con más electrones que el

elemento que constituye la red original por medio del

proceso llamado dopado. Los niveles de los electrones

de los átomos dopantes serán de mayor energía que

los de valencia del compuesto original y la banda

dopante llena se encontrará cerca de una banda de

conducción vacía. Por medio de excitación térmica, los

electrones de los nuevos átomos migran hacia la

banda de conducción vacía a través de la banda

formada por el traslape de orbitales de los átomos

originales, originando la conductividad eléctrica.

Varios óxidos de los metales d, por ejemplo el ZnO,

son semiconductores tipo n. En este caso, esta

propiedad está relacionada a pequeñas variaciones en

la estequiometria y a un ligero déficit de átomos de

oxígeno. Entonces, los electrones que deberían

ocupar los orbitales del oxígeno, ocupan una banda de

conducción que está vacía hasta que haya una

inducción térmica. Cuando se someten a altas

temperaturas, la conductividad aumenta debido a

que el oxígeno se va perdiendo de la estructura,

incrementando el número de electrones en la banda

de conducción. En el estado estequiométrico no

dopado el In2O3, SnO2, Cd2SnO4, CdIn2O4 y ZnO tienen

un band gap óptico de 3 eV. Para hacerse

transparentes deben ser dopados con el objetivo de

desplazar su nivel de Fermi hacia su banda de

conducción.

La conductividad y transparencia simultáneas son

posibles en todos los semiconductores, pero es más

raro en los tipo p comparados con los tipo n. Hay

pocos materiales inorgánicos de band gap ancho que

han demostrado tener las características electrónicas

y estructurales para el dopaje efectivo de los

semiconductores tipo p. La búsqueda de

semiconductores tipo p de gap ancho con alta

mobilidad para complementar a los materiales tipo n

ha sido un gran objetivo de investigación por más de

10 años. Un semiconductor transparente tipo p

encontraría aplicación en el canal p en un transistor

transparente de capa fina, el diodo p-n operando

como rectificador, emisor de luz, o como una ventana

reflectora de electrones en una celda solar.

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dopadas con hierro al 10% (Doctoral

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11) http://spanish.hisupplier.com/product/1921809-indium-

iii-oxide-cas-1312-43-2-in2-o3-india-indium-oxide-in2o3-

indium-ii-oxide-indiumoxide-in2o3.html

Un termopar es un dispositivo que consiste en la unión de dos materiales conductores o semiconductores

mediante dos extremos, los van a tener diferente temperatura. El funcionamiento de estos dispositivos

está basado en el efecto Seebek.

Efecto Seebek : Thomas Johann Seebeck

en el año de 1821, descubrió que si los extremos

de un alambre metálico A se unen a un alambre

de un metal B de diferente clase y las uniones P

y Q (P y Q se conocen como termouniones) se

mantienen a diferentes temperaturas, se

desarrolla una fuerza electromotriz (fem). Esta

fem induce una corriente eléctrica que fluye

continuamente a través del circuito. Los

electrones van a trasladarse del extremo más

caliente (A) al más frío (B). Con ello se dice que el

extremo positivo es (A) y el extremo negativo es

(B).

El voltaje generado entre los extremos A y B está

dado por la siguiente ecuación:

(R ) (1)V AB = EA−EB− I A+RB+Rs

Fig. 1

E a = fem del material A

E b = fem del material B

I = Intensidad de corriente

R A = Resistencia en material A

Rb= Resistencia en material B

R s = Resistencia de un resistor grande en serie

con los materiales A y B utilizado para minimizar

el efecto de la resistencia entre ellos.

Fig. 2

En la figura 2, en vez de conectar un resistor, se

conecta al circuito un potenciómetro. Se aplica

una diferencia de potencial en el potenciómetro

hasta que esta sea igual en magnitud y en

diferente sentido a EAB, lo cual provoca que los

términos IR i=0. Entonces, la fem medida en el

potenciómetro será igual a:

(2) V AB = EA−EB

V AB es la FEM térmica del termopar AB.

Termopares Un termopar es un dispositivo que

consiste en dos cables de materiales similares

conectados en serie como se muestra en la

figura 2. Son sensores de temperatura

La fem es medida con voltímetros o

potenciómetros de alta resistencia, con el

propósito de que el voltaje a través de los

terminales del medidor sea el mismo que el

desarrollado en la unión de los cables. Es

importante que no se extraiga ninguna corriente

durante las mediciones.

Un circuito típico de termopar se muestra en la

figura 3. Los materiales son una aleación

Pt/13%/Rh y Pt. Un tercer metal, comúnmente

Cu, se conecta al circuito.

La dependencia de la temperatura de la fem en

el termopar puede ser expresada de la siguiente

manera:

(T ) b (T ) (3)E = aAB 2 −T1 + 21AB

22 −T2

1

a y b son coeficientes termoeléctricos

característicos de los metales A y B y T 1, T 2 son

las temperaturas de las dos uniones. Para

calcular E para cualquiera de los pares AB,

a AB=a A-a B y b AB=b A-b B. Un par con alta

sensibilidad es sin embargo, uno con un valor

alto de a AB.

Al graficar la ecuación (3) E vs T 2, se obtiene una

parábola. Cuando E=0, T 2=T 1 y T 2=-2ª/b-T 1; E

llega a un valor mínimo cuando T 2=-a/b. Para lo

termopares más prácticos, T 2 tiene que ser

mucho mayor que T 1 y la relación entre la fem y

la temperatura temperatura se limita

esencialmente al ala de alta temperatura de la

parábola.

Termopares comunes

Tipo K: Los termopares de NiCr-NiAl son ideales

para utilización en atmósferas oxidantes o de

gas inerte hasta 1200 °C con el máximo espesor

de filamento. Proteger los termopares de

atmósferas que contengan azufre. Dado que su

susceptibilidad a la oxidación es menor que la

de termopares de otro material, se utilizan

mayormente para temperaturas superiores a

550 °C.

Tipo J: Los termopares de Fe-CuNi son ideales

para el uso en vacío, en atmósferas oxidantes y

reductoras o atmósferas de gas inerte. Se

utilizan para mediciones de temperatura hasta

750 °C con el máximo espesor de filamento.

Tipo N: Los termopares de NiCrSi-NiSi son

ideales para su utilización en atmósferas

oxidantes, en atmósferas de gas inerte o en

atmósferas reductoras hasta 1200 °C. Deben

protegerse de atmósferas con contenido de

azufre. Son muy exactos a temperaturas

elevadas. La tensión de fuente (EMF) y el rango

de temperatura son prácticamente iguales a los

del tipo K. Se utilizan en aplicaciones en las

cuales se requiere una prolongada vida útil y

una mayor estabilidad.

Tipo E:Los termopares de NiCr-CuNi son ideales

para utilización en atmósferas oxidantes o de

gas inerte hasta 900 °C con el máximo espesor

de filamento. Los termopares de tipo E

desarrollan, entre todos los termopares

utilizados, normalmente la máxima tensión de

fuente (EMF) por °C.

Tipo T:Los termopares de Cu-CuNi son ideales

para temperaturas bajo 0 °C con un límite

máximo de temperatura de 350 °C y pueden

utilizarse en atmósferas oxidantes, reductoras o

de gas inerte. No se oxidan en atmósferas

húmedas.

Termopares de metales nobles

Tipo S (Pt10%Rh-Pt), tipo R (Pt13%Rh-Pt) y tipo B

(Pt30%Rh-Pt6%Rh) son ideales para el uso

continuo en atmósferas oxidantes o de gas

inerte con temperaturas de hasta 1600 °C. No

pueden introducirse en una vaina metálica.

Tener en cuenta la fragilidad causada por la

contaminación. Los termopares de metales

nobles son susceptibles de contaminación. Por

ello es recomendable revestirlos con material

cerámico.

Bibliografìa:

Revista Colombiana de Fìsica Vol. 38, No. 2.

2006.

PHYSICS-VOLUME 1: MECHANICS AND HEAT.

1a Ed. en español. 1974, Editorial Continental

S.A.

THERMOCOUPLE GENERAL INFORMATION

(PDF)

(http://www.gilsoneng.com/reference/tcinfo.pdf)

Thermocouple Materials (PDF)

(TE-Thermocouple Materials Paper.pdf)

TRANSISTORES Introducción. En 1948, Walter H. Brattain, John Bardeen y William Shockley de los laboratorios de bell telephone, fueron los que construyeron y probaron el primer transistor. Era un material muy imperfecto, con una amplificación muy baja comparado con los tubos de vacío, que en aquellos momentos eran lo que e utilizaba en todos los dispositivos electrónicos, pero aún así este dispositivo ya aventajaba a los tubos de vacío en un ahorro en el consumo eléctrico. se fueron desarrollando mejores prototipos de transistores hasta llegar a obtener un gran catálogo de transistores con diversas características. Es un dispositivo electromecánico que sirve para potenciar y amplificar la energía de cualquier objeto eléctrico o electrónico, principalmente aquellos que usamos en nuestra vida cotidiana como electrodomésticos; automóviles, relojes, aparatología relacionada con la salud, etc. De más está decir que cada uno de estos elementos necesitará y funcionará mejor con un tipo específico de transistor que estará especialmente diseñado para la necesidad de energía del objeto en cuestión. En este sentido, no será igual, por ejemplo, el transistor de un reloj de pulsera que el de un lavarropas ya que cada uno deberá cumplir con funciones diferentes Función principal de los transistores es amplificar la energía y disminuirla para evitar el sobrecalentamiento, por ejemplo pueden ser usados para amplificar la pequeña corriente de salida de un circuito integrado (IC) lógico de tal forma que pueda manejar una bombilla, un relé u otro dispositivo de mucha corriente. Un transistor puede ser usado como un interruptor (ya sea a la máxima corriente, o encendido ON, o con ninguna corriente, o apagado OFF) y como amplificador Características químicas. Transistor de unión bipolar: El transistor de unión bipolar, o BJT por sus siglas en inglés, se fabrica básicamente sobre un monocristal de Germanio, Silicio o Arseniuro de galio, que tienen cualidades de semiconductores, estado intermedio entre conductores como los metales y los aislantes como el diamante. Sobre el sustrato de cristal, se contaminan en forma muy controlada tres zonas, dos de las cuales son del mismo tipo, NPN o PNP, quedando formadas dos uniones NP. La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la zona P de aceptadores o "huecos" (cargas positivas). Normalmente se utilizan como elementos aceptadores P al Indio (In), Aluminio (Al) o Galio (Ga) y donantes N al Arsénico (As) o Fósforo (P). La configuración de uniones PN, dan como resultado transistores PNP o NPN, donde la letra intermedia siempre corresponde a la característica de la base, y las otras dos al emisor y al colector que, si bien son del mismo tipo y de signo contrario a la base, tienen diferente contaminación entre ellas (por lo general, el emisor está mucho más contaminado que el colector). El emisor (E): correspondiente a uno de los terminales de los extremos, en una capa o sección de tamaño medio dispuesta para emitir electrones, esta capa se encuentra altamente dopada. La base (B): correspondiente al terminal central, de tamaño delgada y diseñada para permitir el paso de los electrones, la base posee un nivel de dopado medio. El colector (C): es una capa de gran tamaño comparada con las anteriores, con poco dopaje, cuyo diseño es apropiado para recibir los electrones que emite el emisor y pasan a través de la base. como se ha comentado anteriormente los transistores bipolares pueden ser de dos tipos, los de tipo PNP o de tipo NPN

Describir el principio Transistor de unión unipolar o de efecto de campo: El transistor de unión unipolar, también llamado de efecto de campo de unión (JFET), fue el primer transistor de efecto de campo en la práctica. Lo forma una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difunden dos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre sí, se producirá una puerta. A uno de estos contactos le llamaremos surtidor y al otro drenador. Aplicando tensión positiva entre el drenador y el surtidor y conectando a puerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la que llamaremos corriente de drenador con polarización cero. Con un potencial negativo de puerta al que llamamos tensión de estrangulamiento, cesa la conducción en el canal.

Teoría que lo fundamente Los transistores son una forma aplicada de los semiconductores. En general, la conductividad está dada por

𝜎 = 𝑛𝑒𝜇 Donde n es el número de portadores de corriente, e es el cambio y 𝝁 es a movilidad.

En los metales el número de los electrones móviles es larga y esencialmente constante pero su movilidad decrece gradualmente con la temperatura debido a las colisiones de electrón-fotón. En consecuencia, la conductividad disminuye gradualmente con el aumento de la temperatura, en los semiconductores, el número de los electrones móviles es pequeño. Este número puede aumentarse, ya sea elevando la temperatura para promover más electrones de la banda de valencia a la banda de conducción, o dopando con impurezas que proporcionan electrones u orificios. En el primero de estos, n está dado por n= n0 exp (-E/KT) Donde n0 es una constante( número total de electrones), E es la energía de activación o promoción, K es la constante de Boltzmann y T es la temperatura. Y por lo tanto, 𝝈, aumenta exponencialmente con la temperatura, como se muestra para la región intrínseca, los cambios relativamente pequeños en 𝜇 con la temperatura están completamente inundados por cambios mucho más grandes en n. En el segundo, se generan portadores extra móviles mediante la adición de dopantes; A temperaturas bajas en la región extrínseca, la concentración de portadores adicionales es mucho mayor que la concentración intrínseca generada térmicamente. En consecuencia, en la región extrínseca, la concentración del portador en función de la temperatura y 𝝈 muestra un ligero descenso con la temperatura debido al efecto de movilidad mencionado anteriormente. Los aisladores difieren de los semiconductores sólo en la magnitud de su conductividad, que es también sensible tanto a la temperatura como a los dopantes, pero dado que n es pequeño y la energía de activación es grande 𝝈 es muy pequeña. El parámetro clave es la brecha de prohibición, E, para una selección de materiales. En orden de promover los electrones a través de la brecha de banda (band gap), la absorción de energía es necesaria. Para la brecha pequeña ,<1 eV se produce alguna promoción debido a la salida térmica, especialmente a alta temperatura; Los materiales con E<0.01 eV son esencialmente metálicos. Para los espacios de banda más grandes, la radiación de longitud de onda apropiada puede causar resultados de promoción y fotoconductividad. Así, CdS, E = 2,45, absorbe la luz visible y se utiliza en fotocélulas para convocar la luz solar a otras formas de energía. El uso principal de los semiconductores está en los dispositivos del estado sólido tales como transistor, virutas de silicona, fotocélulas, etc. Un ejemplo simple y el principal a ser discutido aquí es la unión del p n. Éste es el equivalente en estado sólido de la válvula rectificadora de diodos. Supongamos que un solo cristal de Si es un dopado una mitad es de tipo y la otra mitad de tipo p.

Los niveles de fermi están a diferentes alturas en las dos mitades y los electrones son capaces de fluir espontáneamente desde el tipo n hasta las regiones de tipo p a través de la unión. La energía fermi de los electrones es similar a su potencial electroquímico: mientras exista una diferencia de potencial, los electrones fluyen de una región de alto potencial a uno de bajo potencial. Por lo tanto, si se aplica una diferencia de potencial externa tal que el extremo del tipo p es positivo y el tipo n es negativo, una corriente continua puede fluir a través del cristal. Los electrones entran desde el electrodo de la derecha, fluyen a través de la banda de conducción de la región del tipo n, caen en la banda de valencia de la región del tipo p en la unión p n y luego fluyen a través de la banda de valencia, a través de los orificios positivos. Una corriente continua no puede fluir en dirección opuesta ya que, con un voltaje relativamente bajo, los electrones no pueden superar la barrera necesaria para pasar de izquierda a derecha a través de la unión. La unión p n, es por lo tanto un rectificador en que la corriente puede pasar solamente en una dirección.

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electrica, cuarta edición, Alfaomega, 2010, pag 50-51.

Biomateriales Introducción Documentos históricos de hace cientos de años indican el ocasional uso de materiales para ayudar en el tratamiento de heridas o tejido perdido. Después de la segunda guerra mundial innovadores usaron metales resistentes a la corrosión para restablecer el movimiento y las funciones de articulaciones dañadas. Hace medio siglo una consideración sumamente importante para el uso de estos materiales era que hubiera una mínima reactividad de estos al momento de que fueran implantados en el cuerpo. Casi todos los metales usados en el cuerpo, con la excepción de los metales nobles, generan una respuesta benigna por parte de los tejidos debido a una capa de óxido que se forma espontáneamente en la superficie protegiendo el metal, eso es la corrosión. Termodinámicamente hablando lo metales como el acero inoxidable, aleaciones de cromo y cobalto, titanio y sus aleaciones no se encuentran en su nivel más bajo de energía, pero la película de óxido que se genera al inicio forma una capa protectora que disminuye la cinética de la oxidación. Esto sigue funcionando mientras la película de óxido siga presente y no se encuentre comprometida. A partir de eso se comienza la utilización de lo cerámicos que son compuestos termodinámicamente estables por lo que no reaccionan con el medio que los rodea, esto aumenta su importancia en la medicina. Los cerámicos poseen excelentes propiedades, como la fricción, que lo hace un material atractivo para las articulaciones artificiales . Una corriente de pensamiento surgió en los años 70’s. Esta se fundamenta en que cualquier material que se implantara en cuerpo debería generar una respuesta específica, los materiales deberían de estar diseñados para que un tejido diera una respuesta que produjera como resultado una recuperación de este. Así fue como nacieron los biocerámicos. A pesar de que estos materiales son iónicos presentan reactividad, pero dicha reactividad es dirigida y controlada. Hoy en día el campo de los biomateriales está repleto de estudios y discusiones de tratamientos que hacen uso de procesos biológicos para interaccionar con los materiales y que estos ayuden a la recuperación o formación de tejidos para restablecer funciones corporales.

Biomateriales a base de metales. Los metales que son frecuentemente utilizados para implantes se incluyen, aleaciones en base de hierro, aleaciones en base de cobalto, aleaciones en base de titanio y níquel-titanio (nitinol). Otros metales de uso limitado, son el zirconio, tantalio, y una variedad de metales nobles como, platino, oro, etc. Las estructuras cristalinas de algunos de estos metales, son cúbica centrada en el cuerpo, cúbica centrada en la cara y hexagonales con gran empaquetamiento. La naturaleza del enlace en los metales es un poco distinta a la que encontramos en otro tipo de materiales, el enlace metálico involucra la compartición de los electrones de valencia entre los núcleos atómicos empaquetados. La movilidad de los electrones compartidos es crucial para la conductividad eléctrica y térmica. Como los enlaces no se encuentran localizados, átomos individuales y planos pueden moverse y deslizarse fácilmente respecto uno de otro. Las deformaciones permanentes o momentáneas en las estructuras cristalinas de los metales ocurren frecuentemente por las dislocaciones. Las dislocaciones son defectos en el cristal. Si la fuerza que se aplica es lo suficientemente alta, los enlaces atómicos se pueden romper de una forma secuencial y la dislocación se puede mover a través del cristal. Las dislocaciones se mueven más fácilmente en planos con un gran empaquetamiento. Los metales con una estructura cúbica centrada en las caras tienen un mayor empaquetamiento que las centradas en el cuerpo y las hexagonales y por lo tanto son más dúctiles. Hay que recalcar que la manera de alterar la fuerza y ductilidad de los metales se fundamenta en las formas que existen para alterar el movimiento de las dislocaciones a través de una estructura cristalina.

El tamaño del grano es un factor muy importante en la resistencia mecánica de los metales. Los metales puros son típicamente suaves y dúctiles, los metales extremadamente puros son muy costosos de producir y difíciles de obtenerlos sin contaminantes. Aunque la mayoría de los metales son aleaciones con más de un componente. Cuando los átomos de los componentes en las aleaciones de los metales son distintos, las estructura cristalina se ve afectada, esto provoca que el movimiento de las dislocaciones sea más complicado e incrementa la dureza del metal. Otra técnica para aumentar la dureza de los metales es incrementar el número de dislocaciones en el cristal.

Cerámicos Los cerámicos de alúmina son el material ideal para los pioneros en la ciencia de los biomateriales, por su densidad, dureza y estabilidad frente a ambientes químicamente agresivos y a elevadas temperaturas. La alúmina tiene su mayor aplicación en ortopedia como componente para las articulaciones en los los reemplazos totales de cadera. Es importante mencionar que el uso de la alúmina es tan común en ortopedia que en los artículos científicos el uso del término “cerámico” sin ningún tipo de especificación para indicar alúmina es aceptado. La primera mención de la alúmina como biomaterial fue en una patente alemana, pero no fue hasta 1960 cuando se desarrolló el cerosio, un aluminato de silica que pretendía ser usado como sustituto de hueso. En 1970 era el ceramico más avanzado. Durante 40 años la alúmina ha tenido un uso clínico y ha sufrido mejoras, como incrementar la confiabilidad del material aumentando la densidad del cerámico e incrementando su pureza. La mejora más importante de la confiabilidad fue la introducción de pruebas no destructivas al material. Propiedades de la alúmina La aplicación clínica de la alúmina está basada en su biocompatibilidad, densidad, dureza y resistencia a la corrosión. Se sabe que la alúmina es resistente a la corrosión debido a la formación de una delgada capa de óxido, la cual es bastante densa y químicamente estable. El hecho de que la alúmina sea muy internte químicamente hablando la hace un buen material biocompatible, teniendo casi ningún impacto químico en el cuerpo. A la alúmina se le puede encontrar en varias formas metaestables, dos de estas fases se transforman irreversiblemente en alfa-alúmina a una temperatura de calentamiento que supere los 1200°C. El arreglo cristalino que presenta la alfa-alúmina es un arreglo hexagonal compacto de iones oxígeno, el cual es termodinámicamente estable, este es el material utilizado en aplicaciones médicas. La alfa-alúmina es resistente a la oxidación debido a que el Al se presenta en su mayor estado de oxidación por lo que no pueden ocurrir reacciones de oxidación. El alto punto de fusión, dureza y la resistencia al ataque de ácidos inorgánicos fuertes son consecuencia de los fuertes enlaces que se producen entre el Al3+ y el O2-. El comportamiento químico junto con la alta dureza de la alúmina hacen a este material cerámico ideal para los componentes de las articulaciones.

Cerámicos bioactivos El término bioactivo en la ciencia de los materiales se refiere a un material el cual ha sido depositado en el interior del cuerpo humano causando una interacción entre el y el tejido que lo rodea. Existen tres tipo de cerámicos bioactivos:

1. Hidroxipatita y los correspondientes fosfatos de calcio 2. Vidrios bioactivos 3. Cerámicos de vidrio

Una propiedad que tienen en común todos estos materiales, es su habilidad para poder enlazarse a los huesos y favorecer el crecimiento de tejido en el material.

La propiedad de bioactividad se refiere a la habilidad de los materiales de enlazarse directamente a un hueso y favorecer el crecimiento de este. En esencia, si una capa de fosfatos no se encuentran presentes en la superficie se llevarán a cabo varias reacciones que darán como resultado esa superficie.Estas reacciones involucran proteínas y células. El material también libera calcio en forma de iones. Las proteínas se adsroben a la superficie reactiva y permiten la adición de células, por lo que comienza una reacción intercelular promoviendo la formación de tejido.

Vidrios bioactivos. Los componentes más comunes para un vidrio bioactivo son SiO2, CaO, Na2O, y P2O5. Un vidrio bioactivo es como cualquier vidrio, un material amorfo con un orden atómico de corto alcance. Esta estructura es opuesta a los materiales cristalinos ya que estos tienen un orden atómico de largo alcance. El SiO2 en un vidrio bioactivo, funciona como una red que le confiere a la estructura del vidrio su estabilidad química. El CaO y el Na2O funcionan como modificadores de red, los cuales facilitan la fundición del vidrio mientras dura el proceso y la bioactividad en contacto con el sistema biológico. Vidrios Cerámicos bioactivos. Los vidrios de cerámicos bioactivos se forman sometiendo a los vidrios bioactivos a un tratamiento térmico para transformar su estructura amorfa a cristalina. La cristalización de un vidrio bioactivo mejora la resistencia mecánica significativamente

Polímeros Un polímero es una macromolécula que se encuentra compuesta por pequeñas unidades que se repiten a lo largo de la molécula. A la molécula de partida se le conoce como monómero mientras que a la unidad que se repite se le llama unidad repetida. La mayoría de los monómeros se encuentran compuestos por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno; no obstante también pueden contener flúor, cloro, azufre, etc. El proceso químico por el cual se sintetizan a este tipo de compuestos recibe el nombre de proceso de polimerización . La mayoría de las cadenas obtenidas por este tipo de reacciones provienen de monómeros que contienen enlaces doble C-C o tienen en su estructura dos grupos funcionales distintos. Muchos monómeros presentan en su estructura a más de un grupo funcional, así como pueden contener a un ácido carboxílico, al final de la cadena podemos encontrar a un alcohol; y la

reacción de estos grupos distintos producen a lo que conocemos poliésteres.

Si solamente se utiliza un tipo de monómero en la polimerización, veremos que hay solo una unidad que se repite en la cadena, a estos compuestos se les conoce como homopolímeros y si el polímero se encuentra formado por más de un monómero este recibe el nombre de copolímero. Un ejemplo es el polietileno que es una cadena formada solamente por etileno. Los polímeros han sido utilizados como implantes hace ya más de 80 años . El polimetilmetacrilato ( PMMA ) fue usado por primera vez en 1930 , inicialmente fue elegido por la gran biocompatibilidad , rigidez y sus propiedades ópticas. Hoy en día el PMMA es muy usado como implante médico en aplicaciones tales como cemento óseo para ser aplicaciones dentales y ortopédicas. Durante los siguientes 20 años los polímeros expandieron sus aplicaciones a bombas de sangre , prótesis de mama e injertos vasculares. Una ventaja del uso de los materiales hechos a base de polímeros es que su estructura macromolecular nos provee de muchas propiedades biomiméticas que pueden ser utilizados en el cuerpo. Uno de los polímeros estructurales más importantes que tienen aplicación médica es el UHMWPE ( Ultra Higgins molecular weight polyethylene ) , este material comenzó a usarse en los años 60 y hasta la actualidad sigue siendo uno de los más importantes , teniendo una gran utilidad en el reemplazo total de articulaciones. Bibliografía Biomaterials a basic introduction , Qizhi - George Thomas , Editorial CRC Press.Yaylor y Francis Group Páginas : 188-191, 273, 258-259, 215-219 Comprehensive Biomaterials ( metallic , ceramic and polymeric biomaterials ) Volume 1 , editorial elsevier , Paul Ducheyne. Páginas : 1-4, 6-7,74-77,158,162,166,350,373-375

BIOPOLIMEROS

Antes de definir a los biopolímeros, es necesario entender qué es un biomaterial, el cual puede ser concretado de la siguiente forma:

Se define biomaterial como cualquier sustancia o combinación de sustancias, de origen natural o sintético, diseñadas para actuar inter-facialmente con sistemas biológicos con el fin de evaluar, tratar, aumentar o sustituir algún tejido, órgano o función del organismo humano. Desafortunadamente, el término biomaterial se utiliza equivocadamente en un sentido más amplio para designar cualquier objeto utilizado en relación con la asistencia sanitaria, incluido el embalaje.

La primera aplicación de los biopolímeros fue en 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 a partir de la Segunda Guerra Mundial hubo un avance significativo en la tecnología de los polímeros, principalmente enfocado a las aplicaciones médicas.

Los biopolímeros tienen propiedades fisicoquímicas y termoplásticas iguales a las de los polímeros fabricados a

partir de petróleo, con la diferencia que una vez desechados, se biodegradan. De aquí se derivan las grandes

ventajas de sustituir el uso de petróleo y de reemplazar los polímeros actuales por polímeros biodegradables, lo

que disminuiría notablemente la contaminación del medio ambiente.

Se clasifican de dos formas, una de ellas son los biopolímeros naturales, que son materiales complejos y

heterogéneos que proceden de los seres vivos, como proteínas (colágeno, queratina, gelatina, gluten de maíz o

trigo, proteínas de leche o soya), polisacáridos (almidón, derivados de celulosa, quitosano, alginatos,

carragenatos y pectinas) y lípidos (ceras, ácidos grasos y monoglicéridos). La otra son biopolímeros sintéticos,

que son los que se pueden obtener en un laboratorio y su procedencia es de un recurso renovable, como

metales, cerámicas o polímeros (nylon), comúnmente se denominan materiales biomédicos para diferenciarlos

de los biopolímeros de origen natural.

Los biopolímeros naturales provienen de cuatro fuentes:

•Origen animal, como el colágeno/gelatina.

•Origen marino, como la quitina/quitosan.

•Origen agrícola, como los lípidos y grasas e hidrocoloides: proteínas y polisacáridos.

•Origen microbiano, como el ácido poliláctico (PLA) y polihidroxialcanoatos (PHA).

Por ser muy biodegradables y sus excelentes propiedades físico‐mecánicas, los PHA y los PLA han resultado ser

los de más amplia aplicación en la actualidad.

¿Cómo se obtienen?

Se pueden obtener mediante extracción directa o sintetizada vía tecnológica mediante fermentación láctica o

microbiana, obteniendo poliácido láctico (PLA) o polihidroxialcanoatos (PHA) respectivamente.

Por extracción directa se obtienen polímeros naturales como el almidón o la celulosa, por la fermentación

láctica se obtiene el poli‐ácido láctico o ácido poliláctico (PLA), poliéster alifático termoplástico derivado de

recursos renovables, los cuales se pueden biodegradar bajo ciertas condiciones, como la presencia de oxígeno,

y es difícil de reciclar, y por la fermentación microbiana se obtienen los polihidroxialcanoatos (PHA), polímeros

que se acumulan como material de reserva de carbono y energía en diferentes microorganismos, normalmente

bajo condiciones de carencia nutricional de elementos como nitrógeno, fósforo, sulfuro o magnesio, en

presencia de un exceso de fuente de carbono.

La tecnología para su fabricación es la misma que los polímeros no degradables, es decir, polimerización, la cual

es una reacción química en la que los reactivos (monómeros, que son compuestos de bajo peso molecular),

forman enlaces químicos entre sí, para dar lugar a una macromolécula (que es una molécula de gran peso

molecular), ya sea una cadena lineal o de estructura tridimensional (polímero).

Esta polimerización puede ser por adicción, donde el monómero pasa a formar parte del polímero sin pérdida

de átomos, es decir, la composición química de la cadena resultante es igual a la suma de las composiciones

químicas de los monómeros que lo conforman, o por condensación, donde el monómero pierde átomos cuando

pasa a formar parte del polímero.

¿En que se aplican?

Las aplicaciones de los biopolímeros están más orientadas al ámbito de la medicina o farmacia, por su utilidad

como dispositivos terapéuticos cardiovasculares, ortopédicos, oftalmológicos y dentales, sustitutos de la piel,

sistemas de liberación de fármacos y sensores para propósitos de diagnóstico, en cirugía facial se utilizan como

implantes de labios y glúteos.

Permanentes, son aquellos que están diseñados para reemplazar total o parcialmente un órgano o tejido, como

las prótesis o implantes.

Temporales, son biopolímeros degradables que tiene una duración corta y se emplean para reparar tejidos.

Los biopolímeros pueden ser una gran alternativa al uso de plásticos de origen petroquímico, ya que, a

diferencia de estos, son degradables y en su mayor parte proceden de recursos renovables.

Fibras (proteicas), como el algodón, la seda y la lana.

Bibliografia:

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Mohan and Elizbeth francis. / Volume 2. / 2013 / Apple Academic Press Inc.

Biotechnology and Bioactive Polymers/ Edite by Charles G. Gelbelein and Charles E. Carraher, Jr.1994.

http://www.agrowaste.eu/wp-content/uploads/2013/02/BIOPOLIMEROS.pdf

http://www.eis.uva.es/~macromol/curso05-06/medicina/biopolimeros.htm

Biopolymer Methods in Tissue Engineering. Edited by Hollander, Anthony P., Hatton, Paul V. 2004

Natural Fibers, Biopolymers, and Biocomposites/ Amar K. Mohanty, Manjusri Misra, Lawrence T.Drzal / Published in April 8, 2005 by CRC Press.

Correa Tello Roberto Rubio Hernández Natalia

Capacitores

Características químicas:

Un capacitor está formado por dos conductores (placas), muy cercanos entre sí, estas placas se

encuentran separadas por un dieléctrico, es decir, un material aislante como lo es el papel, el

plástico, el aire, etc.

Un material dieléctrico aumenta la capacitancia de un capacitor debido a la descripción atómica

del material, que a su vez involucra una propiedad de algunas moléculas llamada polarización. Se

dice que una molécula esta polarizada cuando hay una separación entre las posiciones promedio

de su carga negativa y su carga positiva. En algunas moléculas, como el agua, esta condición

siempre está presente. Para ver qué moléculas poseen esta condición es importante ver su

geometría.

Una molécula simétrica puede no tener polarización permanente, pero se le puede inducir una

polarización mediante un campo eléctrico externo. A esta polarizaión se conoce como

polarización inducida y es el efecto que predomina en la mayoría de los materiales utilizados como

dieléctricos en los capacitores.

Los capacitores normalmente se clasifican de acuerdo al tipo de material del dieléctrico. A

continuación se mencionan algunos tipos de capacitores y sus respectivas características químicas.

a. Capacitores electrolíticos: son capacitores de gran tamaño y de gran capacitancia. Su

forma geométrica es cilíndrica. Están formados por una placa de papel de aluminio y una

placa de plástico cubierta con una pasta electrolítica separadas por una capa de óxido de

aluminio. Este tipo de capacitores deben ser tratados con cuidado ya que las placas se

polarizan y pueden destruirse si se conectan con las polaridades invertidas.

b. Capacitores de tantalio: son capacitores electrolíticos pero de menor tamaño, de

diferentes colores y tienen forma de óvalo deformado. Los capacitores de tantalio se

polarizan. Están formados por placas de polvo de tantalio y dióxido de manganeso las

cuales son separadas por óxido de manganeso.

c. Capacitores de mylar: estos capacitores están formados por placas finas de metal

separadas por plástico. Generalmente, su forma geométrica es un cilindro de color

amarillo. Este tipo de capacitores no se polarizan.

d. Capacitores de polyester: están formado por dos placas de metal y separadas por

plástico, al igual que los mylar. Suelen tener una cubierta brillante y forma ovalada o

cuadrada. No se polarizan.

e. Capacitores de cerámica: tienen constantes dieléctricas muy altas y pueden generar

capacitancias grandes en espacios muy pequeños. Pueden tener formas circulares,

normalmente de color naranja, o de pequeños cubos, generalmente color azul.

Capacitancia

La expresión “Capacidad eléctrica” fue introducida por Volta, haciendo una analogía con el

concepto de capacidad calorífica. La capacitancia está dada mediante un determinado

potencial, la cantidad de carga que se puede almacenar en un cuerpo depende de sus

características físicas. Cuanta más carga hay, mayor es la capacitancia; cuando menor voltaje

se necesita para acumularla, la capacitancia es mayor. En otras palabras, la capacitancia debe

variar directamente en función de la carga e inversamente en función del potencial.

𝐶 =𝑄

𝑉 Donde C: capacitancia, Q: carga y V: potencial

La unidad de capacitancia es coulombs por volt, y para honrar a Faraday, se llama farad (F): 1

farad= 1F = 1 C/V.

EL gran adelanto en almacenamiento de carga fue casi accidental, en 1745, y corrió a cargo de

G. von Kleist, y de nuevo en forma independiente, por P. van Musschenbroek. Estos dos

caballeros europeos experimentaban con electricidad, e introdujeron el conductor que se

estaba cargando en una jarra, sostenida en su mano. Probablemente trataban de recolectar

un “fluido eléctrico”. Van Musschenbroek agitó un alambre de latón, fijo a un cañón de pistola

que se estaba cargando, en un frasco “parcialmente lleno de agua”. Se descargó de un golpe,

y el cuerpo de Van Musschenbroek se conmocionó “como si hubiera sido tocado por un

rayo;… creí que era mi final”.

Descubrieron por casualidad un dispositivo en el que un conductor (el alambre) estaba

separado de otro conductor conectado a tierra (una mano sudorosa) por un medio aislante (el

vidrio). El conductor aislado que se estaba cargando hubiera llegado con rapidez al potencial

del generador, y en adelante repelería más carga. El nuevo arreglo de conductor-aislador-

conductor evitaba esta saturación. La carga colocada en uno de los conductores, el alambre

central, inducía una carga igual y opuesta en el otro conductor, la mano húmeda. Esa carga

inducida, que tenía la polaridad opuesta y era relativamente cercana, reducía la repulsión del

alambre cargas adicionales. El resultado fue un aumento considerable en la carga almacenada

antes de que el dispositivo, que dio en llamarse botella de Leyden, alcanzara el potencial del

generador.

Bibliografía:

1. Serway, Raymond A. (2010). “Fundamentos de física”. 8va

edición. Editorial Cengage Learning. Páginas 546,557-562.

2. Tippens, Paul (2001). “Física. Conceptos y aplicaciones.” 6ta

edición. Editorial McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Páginas 573, 574,577-

581.

3. Hecht, Eugene. (1998). “Física 2, álgebra y trigonometría”. 2da edición. Editorial Thomson.

Pag. 592-594.

CATALIZADORES HETEROGÉNEOS.

Para que una reacción química tenga lugar se debe superar el valor de la energía de activación. Una vez vencida esa barrera, el sistema evoluciona de forma tal que llegará al estado final de la reacción. La velocidad de reacción podría incrementarse de dos maneras: aumentando la concentración del "complejo activado" o eventualmente disminuyendo la energía de activación. Este último mecanismo es el que se pone de manifiesto cuando se emplea determinadas sustancias llamadas catalizadores.

Se denomina catálisis al fenómeno que transcurre cuando en la composición del complejo activado de alguna de las etapas en que se lleva a cabo la reacción participa una sustancia que no toma parte estequiométrica del proceso total, pero que cambia las propiedades cinéticas del sistema reaccionante. Este compuesto se denomina catalizador.

En catálisis heterogénea, el catalizador tiene un estado de agregación diferente a la de los reactivos y productos. Generalmente, el catalizador es sólido, los reactivos y productos están en una o más fases fluidas (gas o líquida) y la reacción catalítica se lleva a cabo sobre la superficie del sólido. O sea, el catalizador provee un camino alternativo para la reacción, no presente en su ausencia. La mayoría de los catalizadores heterogéneos son metales, óxidos metálicos o ácidos. El catalizador se encuentra en una fase distinta a la que están los reactivos. Se utiliza mucho en procesos industriales y su mecanismo más común está basado en la adsorción de las moléculas reaccionantes (generalmente gases) en la superficie del catalizador (generalmente sólido). CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS El catalizador está presente en la reacción en una fase diferente a la de los reactivos. Generalmente el catalizador es un sólido y los reactivos son líquidos o gases. Dependiendo de la sustancia sobre la cual se ha manufacturado, el catalizador puede ser orgánico (enzimas o ácidos orgánicos) o inorgánicos (metales, óxidos metálicos, etc.). Finalmente, basado en la acción la catálisis puede clasificarse en enzimática, ácido-base y foto catalítica. Los catalizadores que se utilizan en la mayoría de los procesos deben ser sólidos porosos de alta área específica, térmicamente estables y que cumplan con los requerimientos de alta reactividad y selectividad.

Los catalizadores heterogéneos más comunes, según el tipo, son: metálicos, los más usuales son Fe, Co, Ni, Pt, Cr, Mn, W, Ag y Cu (generalmente metales de transición con orbitales d parcialmente desocupados). Los óxidos metálicos que se usan normalmente como catalizadores son , . Los ácidos catalizadores más comunes son . Puesto que la catálisis tiene lugar sobre la superficie del catalizador, para aumentar esta superficie, se utiliza el catalizador finamente dividido, a menudo extendido sobre la superficie de un soporte poroso (o propagador). Los soportes más comunes son gel de sílice (SiO2), alúmina (Al2O3), carbono (en forma de carbón activo) y tierra de diatomeas. El soporte puede ser inerte o contribuir a la actividad catalítica.

DESCRIPCIÓN DEL PRINCIPIO

La velocidad de reacción podría incrementarse de dos maneras: aumentando la concentración del "complejo activado" o eventualmente disminuyendo la energía de activación. Este último mecanismo es el que se pone de manifiesto cuando se emplea determinadas sustancias llamadas catalizadores. Estas sustancias aceleran las reacciones químicas disminuyendo la energía libre de activación, se combinan con los reactivos para producir un estrato de transición de menor energía que el estado de transición de la reacción no catalizada. En la catálisis heterogénea el catalizador está presente en la reacción en una fase diferente a la de los reactivos, donde el sitio activo del catalizador es el lugar donde ocurre la reacción catalítica, puede visualizarse como átomos no saturados que existen en los sólidos.

Figura 1. Ejemplo de catálisis heterogénea, paso a paso.

El catalizador ejecuta su trabajo en una serie de etapas.

Etapas de la reacción:

1. Transporte de reactivos hasta desde el fluido a la superficie externa del catalizador 2. Difusión de los reactivos desde la boca del poro a la vecindad de la superficie catalítica 3. Adsorción de los reactivos sobre el catalizador

4. Reacción sobre la superficie catalítica 5. Desorción de los productos de reacción 6. Difusión de los productos desde el interior de los poros a la superficie externa. 7. Transporte de los productos hacia el seno del gas.

TEORÍA QUE LO FUNDAMENTA: El desarrollo de la catálisis como ciencia autónoma pasó por varias fases desde que en 1836 Berzelius inventó el término “catálisis” para describir procesos en que cantidades pequeñas de ciertas substancias originan extensas transformaciones químicas sin ser consumidas. Berze-lius sin embargo interpreto este efecto equivocadamente atribu éndolo a una “fuerza catalítica. “Sólo se reconocería la naturaleza cinética del fenómeno a comienzo del siglo XX después de los trabajos de Ostwald, que definió el catalizador como “una sustancia capaz de alterar la velocidad de una reacción químico sin aparecer en los productos. El periodo comprendido entre finales del siglo XIX y aproximadamente 1920 fue dominado por la aplicación de la catálisis en síntesis orgánica e inorgánica, a la que están asociados nombres como SABATIER, IPATIEFF, HABER, y marca el principio de la industria química moderna. Un concepto importante de este tiempo, debido a Sabatier, es el de “la formación de compuestos inestables en la superficie del catalizador que funcionan como intermediarios en la reacción catalítica”. El periodo siguiente que se extiende aproximadamente hasta 1940, puede designarse como el periodo de adsorción. TAYLOR propone la existencia de “centros activos” en la superficie del catalizador; LANGMUIR presenta su isoterma de adsorción que es la base de los mecanismos de la catálisis heterogénea desarrollado por HINSHELWOOD y RI-DEAL; BRUNAUER, EMMETT y TELLER derivan su isotérmica de adsorción física y proponen un método para la determinación del área específica de los catalizadores.

Figura 2. Diagrama de una reacción química con y sin efecto de la adición de un catalizador.

BIBLIOGRAFÍA.

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Ertl, G., Knözinger, H, Weitkamp, J. and Schüth, F., (2008). “Handbook of heterogeneous catal sis vol. 8”, 2° edición, Ámsterdam, Holanda, Wiley-VCH.

Delmon, B. and Jannes, G., (1975), "Catalysis", Oxford, England and New York, United States: Elsevier Scientific Publishing Company.

Carballo Suárez, Luis M. (2002), “Introducción a la catálisis heterogénea”, Departamento de Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia con sede en Bogotá.

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/059/htm/cataliza.htm [consultado el día domingo 13 de Noviembre del 16 a las pm].

1

Celdas de combustible Por: Rodríguez Palacios Andrea Lissette, Valdez Rodríguez Alejandra.

Actualmente las celdas de combustible se vislumbran

como una de las tecnologías de generación energética

más promisorias para el siglo XXI.

¿Qué es una celda de

combustible?

Las celdas de combustible son dispositivos que con-

vierten en forma directa la energía química de los

reactantes (un combustible y un oxidante) en energía

eléctrica. Por ejemplo, puede generar electricidad

combinando hidrógeno y oxígeno electroquímicamen-

te sin ninguna combustión.

Estas celdas de combustible difieren de las pilas elec-

troquímicas usuales en dos aspectos. Primero, el com-

bustible y el oxígeno se alimentan continuamente.

Segundo los electrodos están hechos de un material

inerte , como el platino, que no reacciona durante el

proceso .

En la práctica, la corrosión y la degradación de mate-

riales y componentes de la celda pueden limitar su

vida útil.

¿Cómo funcionan?

La manera en que operan es mediante una celda elec-

troquímica que consiste en dos electrodos, un ánodo y

un cátodo. El ánodo (oxidante) y el cátodo

(combustible) están separados por un electrolito iónico

(matriz ión - conductora), el cual es inerte al paso de

electrones y gases. El combustible al oxidarse libera

calor. Cada celda unitaria de pocos milímetros de espe-

sor produce una tensión teórica de 1 volt, estando en

la práctica se reduce a 0.7 volts. Conectando estas cel-

das unitarias en serie se consiguen mayores potencias,

desde unos pocos kW hasta decenas de MW.

Las diferentes celdas de combustible trabajan en dife-

rentes rangos de temperatura. A altas temperaturas la

densidad de potencia aumenta pero está limitada por la

corrosión que se provoca. A bajas temperaturas el factor

limitante es la velocidad de la reacción y la resistencia

interna del sistema. Las eficiencias alcanzadas por las

diferentes celdas oscilan entre el 40% y el 60%. General-

mente no se utiliza hidrógeno puro sino gas natural.

Tipos de Celdas de Combustible y

sus principales diferencias

Las celdas de combustible son en realidad una fami-

lia de tecnologías que usan diferentes electrólitos y

que operan a diferentes temperaturas. Por ello se

puede hablar de celdas de combustible de alta tem-

peratura, las cuales operan a temperaturas mayores

a 200°C y las de baja temperatura, cuya operación

puede llegar sólo hasta los 200°C. Una diferencia

derivada de la temperatura de operación es el em-

pleo de diferentes materiales, principalmente elec-

trólitos ya que a temperaturas elevadas deben ser

utilizados electrólitos no acuosos

http://www.ineel.mx/reno99/apli.pdf

2

Algunas de sus ventajas son: La conversión directa de

la energía (sin combustión), operación remota, no

requiriendo supervisión directa, bajo nivel de emisio-

nes sonoras, además de no agotarse ni requerir recar-

ga. Al ser agua el subproducto de la reacción, se mini-

mizan los problemas de impacto ambiental. Otra ven-

taja adicional es el hecho que su eficiencia no está

limitada por el tamaño de la instalación. Esta tecnolo-

gía ofrece operación ininterrumpida de la unidad, sin

requerimientos de paradas por mantenimiento y/o

reparación de sus componentes.

La desventaja principal que presentan son los eleva-

dos costos iniciales de inversión.

En la práctica, las eficiencias en celdas de com-

bustible pueden alcanzar valores entre 50% y

85%, y tienen la particularidad de ser modulares y

compactas, por lo que pueden ser construidas de

tal manera que satisfagan cualquier tipo de de-

manda y ser diseñadas “sobre pedido”.

Ventajas y Desventajas

¿En qué se fundamentan? Las celdas de combustible están basadas en las reac-

ciones de óxido-reducción.

Cuando un átomo, ión o molécula pierde electrones,

se denomina oxidación; mientras que la ganancia de

electrones por parte de una sustancia (átomo, ión o

molécula) se denomina reducción.

Figura 2. Óxido-reducción.

http://www.studyvilla.com/redox.aspx

Referencias

González-Huerta, R., Leyva, M., & Solorza-Feria, O.

(2004). Estudio comparativo de la reducción electro-

catalítica de oxígeno sobre rutenio y su desempeño

en una celda de combustible con membrana poliméri-

ca. Sociedad Química De México, 48, 1-6. Cano Castillo, U. (1999). Las celdas de combustible:

verdades sobre la generación de electricidad limpia y

eficiente vía electroquímica. Boletín IIE, 23, 208-215. Sosa, Maria Isabel, Fushimi Alberto. La cogeneración

en el contexto de las tecnologías de conversón ener-

gética del futuro. Depto Mecánica, Facultad de Inge-

niería, Universidad Nacional de La Plata, Argentina. Brown, T, et al, (2004). Química la ciencia central (9th

ed., p. 128). México: Pearson Educación.

http://www.ineel.mx/reno99/apli.pdf

Cementos El cemento es un conglomerante hidráulico, es decir, un material inorgánico finamente molido que amasado con agua, forma una pasta que fragua y endurece por medio de reacciones y procesos de hidratación y que, una vez endurecido conserva su resistencia y estabilidad incluso bajo el agua. El endurecimiento hidráulico del cemento se debe principalmente a la hidratación de los silicatos de calcio, aunque también pueden participar en el proceso de endurecimiento otros compuestos químicos, como por ejemplo, los aluminatos. Los cementos, al ser materiales compuestos de otros, es imposible decidir en cierta forma cuál de todos sus componentes, es el más importante, ya que, por su naturaleza, un material compuesto, tiene propiedades que siempre son mucho mejores que la suma de sus componentes o las propiedades individuales de cada uno. Una de sus variaciones más usadas es el denominado cemento portland (cemento gris). Se cree que uno de los inventores del cemento Portland es Joseph Aspdin, que en 1824 obtuvo una patente sobre el proceso de Obtener un aglutinante creado a partir de mezcla tostada de Arcilla, y que utilizó por primera vez el nombre de "cemento Portland".Se obtiene por molienda conjunta de Clinker y se adiciona yeso para regular el fraguado. Es el producto constituido principalmente por silicatos; se obtiene por calentamiento de una mezcla homogénea finamente molida, en proporciones adecuadas, formada principalmente por oxido de calcio (CaO) y silicio (SiO2) y, en menores cantidades, por oxido de aluminio (Al2O3) y fierro (Fe2O3), hasta una temperatura que no podrá ser inferior a la temperatura de fusión incipiente (entre 1.400 y 1.500°C) Las características y la calidad del Clinker, dependen de los compuestos mineralógicos y estos dependen del porcentaje en que está presente cada uno de los óxidos antes mencionados. Tanto los porcentajes de los óxidos como sus relaciones, deben ser estrictamente controlados mediante el análisis químico de muestras representativas, en forma previa a la molienda y durante ella. El Clinker de cemento portland es un material hidráulico que se obtiene por sintesis de una mezcla especificada con precisión de materias primas (crudo, pasta o harina). Composición química: CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 y otros compuestos.

Desde muy antiguo la mayor preocupación en la construcción ha sido hacer un cemento que fuera estable a la acción del agua. Comenzaron a usarse los cementosos compuestos por cal y arena; después adicionaron a la cal puzolana, proporcionando la estabilidad deseada en comparación a la cal común. En el año 1750, el ingeniero John Smeaton, quiso obtener un producto netamente hidráulico para lo cual utilizó calizas y sistosas de Abertal que una vez molidas, eran calcinadas entre temperaturas de 900 y 1.200ºC. como producto se obtuvo una cal hidráulica muy parecida al actual cemento Portland de fraguado lento. En 1795, el inglés Parkes, descubrió un cemento procedente de las piedras calizas de la isla Scheppey, que contenían un 35% de sílice y alúmina. En 1796 el empresario inglés James Parker registró la patente de una clase particular de cal hidráulica, obtenida a partir de piedra de la isla de Sheppy, a la que llamó “cemento romano”. Poco más tarde en 1818, el francés el ingeniero L.J. Vicat, estableció las normas de fraguado, endurecimiento, resistencia a compresión y tracción, índice de hidraulicidad y propiedades químicas y en 1812, en Dordogne, empezó a estudiar los diferentes tipos de cal natural de la zona, identificando sus componentes y clasificándolas según su "hidraulicidad". A partir de ello, en 1818 enunció el principio de la fabricación del cemento hidráulico artificial, sobre el que siguió trabajando el resto de su vida, identificando los mejores yacimientos de cal y cementos de Francia En 1824 el empresario ladrillero de Leeds, Joseph Aspdin, tras años de experimentación con mezclas de caliza y arcilla, consiguió fabricar el primer cemento artificial, que patentó ese mismo año. Lo llamó “cemento Portland” por ser parecido al color de las canteras Portland de Inglaterra. Teoria en la que se fundamenta En 1892 W.Michaelis desarrolló una teoría basada en la existencia de materia en estado coloidal en el cemento hidratado Admite en la hidratación de las pastas de cemento la formación de productos cristalinos: aluminatos, sulfoaluminatos, e hudroxido calcico, que dan lugar al fenómeno del fragurado Observa la formación posterior de silicatos hidratados y atribuye a su escasa solubilidad la producción de un gel amorfo. Este gel es deshidratado por la absorción del agua que producen las partículas del propio cemento aun sin hidratar, explicando así como es posible el endurecimiento Referencias: 1.- Gomá, F. (1979). El cemento portland y otros aglomerantes. 1st ed. Barcelona: Editores Técnicos Asociados 2.- Chinchón Yepes, S. and Sanjuán Barbudo, M. (2008). El cemento de aluminato de calcio y sus prefabricados. 1st ed. San Vicente del Raspeig: Publicaciones de la Universidad de Alicante. 3.- Aıtcin, P. (2000). Cements of yesterday and today. Cement and Concrete Research, 30(9), pp.1349-1359. 4.- Igliński, B. and Buczkowski, R. (2016). Development of cement industry in Poland – History, current state, ecological aspects. A review. Journal of Cleaner Production, 141, pp.702-720. 5.- http://www.cbb.cl/cementos/portadaArea.aspx?Id=2 6.- http://fpdonaire-tab.blogspot.mx

Existen algunos materiales que presentan propiedades

dieléctricas a temperatura ambiente pero al someterse a

altas temperaturas presentan conducción eléctrica. Estos

materiales se conocen como conductores iónicos y

presentan una conductividad eléctrica comparable con los

electrolitos líquidos. Cuando un conductor iónico se le

aplica un campo eléctrico presentan movimiento una o

varias de las especies iónicas que lo conforman, dando

lugar a una corriente eléctrica independiente del tiempo.

Defectos puntuales

Uno de los aspectos más importantes de los defectos

puntuales es que hacen posible el movimiento de átomos

o iones dentro de la estructura. Si una estructura cristalina

fuera perfecta sería difícil concebir cómo podría haber

movimiento de los átomos, sea por difusión a través de la

red o por conductividad iónica (transporte de iones bajo la

influencia de un campo eléctrico).

Los posibles mecanismos para el movimiento de los iones

a través de la red se esquematizan en la figura 1. En (a) un

ion salta de su posición normal en la red a un sitio vecino

equivalente pero vacante (defecto Schottky consiste de

igual número de vacancias de aniones y cationes para un

compuesto tipo AB). En la figura 1b un ion intersticial

salta a una posición equivalente adyacente (defecto

Frenkel consiste de igual número de vacancias y de iones

interticiales, iones o cationes). Y la figura 1c para un

intercambio interesticial de dos cationes. Estas

ilustraciones del movimiento en una red iónica se conocen

como modelo de saltos, y en él se ignoran movimientos

cooperativos más complicados. La existencia de estos

defectos en cristal iónico es lo que da lugar a la difusión

de iones ya que de otra forma sería muy difícil que un ion

se desplace de un sitio a otro de la red cristalina.

El modelo de salto sirve para explicar la difusión de iones

en cristales iónicos. En general se espera que los iones

sigan la trayectoria de menor energía disponible, el

cambio de energía implicada en tal trayectoria es la misma

al inicio y al final del salto. La característica de los

conductores iónicos sólidos es la de tener una energía de

activación muy baja (del orden de 0.1 Ev) y la constante

de difusión es muy grande (del orden de 10-4cm2s-1).Aun

más se ha encontrado que la anergia de activación depende

en muchos casos de la temperatura. Pues al aumentar la

temperatura aumenta el número de defectos y por tanto la

conductividad de un sólido.

En general los conductores iónicos se caracterizan por:

Presentar enlace iónico

La presencia de conductividad eléctrica entre 10-1 – 10-4

(Ωcm)-1

Los portadores de carga son iones, con número de

transporte iónico cercano a uno.

Presentan conductividad electrónica, con números de

transporte electrónico menor que 10-4

Se ha descubierto que algunos solidos iónicos tienen una

conductividad mucho mayor que la representativa de los

compuestos iónicos típico y se les conoce como

conductores de iones rápidos.

Un ejemplo típico es el de yoduro de plata en su fase

cristalina α que tiene una simetría cúbica por encima de T

= 147 C y con una conductividad iónica del orden de 1.0

(Ω-cm)-1. Esta fase conductora del AgI muy por debajo de

su punto de fusión en 550 C. La estructura cristalina del α-

AgI fue investigada por Strock en 1934. Los iones de I-

forman la red cubica centrada, o sea que ocupan los

vértices y el centro de cada celda unitaria, de tal forma que

hay solo uno de estos iones por cada sitio de cada red,

mientras que los iones de Ag+ pueden ocupar muchos

sitios en forma aleatoria por celda unidad. Strock propuso

un modelo estructural en el que los iones de plata por celda

unidad se distribuyen sobre 42 posiciones. Tal estructura

con un arreglo distorsionad de átomos y vacancias se llamó

estructura promedio. De tal forma que la alta

conductividad iónica de estos cristales se explicó

cualitativamente por esta característica estructural que

permite el fácil movimiento de iones de plata entre muchos

sitios vacíos.

Otros conductores iónicos son los de oxígeno, tales como

la zirconia estabilizada con iterbio, conductores de litio,

tales como Li2SO4 y β-alúmina de sodio.

Aplicaciones

Una buena parte del reciente interés de las investigaciones

en la química del estado sólido se relaciona con las

propiedades de conductividad eléctrica de los sólidos; se

están desarrollando nuevas celdas electroquímicas y

CONDUCTORES IÓNICOS

Figura 1. Mecanismos de migración de defectos en cristales

iónicos: a) Por vacancia (catión); b) Interticial (catión);

c)Interticial (catión).

baterías que contienen electrolitos sólidos en vez de

líquidos.

En general todas las celdas de combustible usan como

electrolito un conductor iónico. Una celda de combustible

es una celda electroquímica con dos electrodos separados

con un electrolito. La energía química es convertida en

energía eléctrica. El ánodo es continuamente expuesto a un

gas combustible mientras que el cátodo es expuesto a un

gas combustible mientras que el cátodo es expuesto a un

oxidante.

La celda de combustible hidrógeno - oxígeno trabaja con

gases de hidrógeno como combustible y oxígeno como

oxidante. El electrolito consiste de un conductor protónico

que es aislante para electrones, cada molécula de

hidrógeno que entra en el ánodo (el cual es poroso)

suministra dos electrones al ánodo y los protones

resultantes 2H+ son transportados, debido a la difusión, a

través del electrolito hasta el cátodo. Los electrones

producidos en el ánodo se difunden por el circuito exterior

o carga hasta el cátodo donde reaccionan con los protones

y la molécula de oxígeno.

Las reacciones que tienen lugar en los electrodos son:

Ánodo: H2 2H+ + 2e-

Cátodo: ½ O2 + 2 H+ + 2e- H2O

Reacción total en la celda:

H2 + ½ O2 H2O

Cambio en la energía libre:

∆G = ∆H - T∆S = UnF

H = entapia; S = entropía; n = número de electrones; F =

constante de Faraday; U = voltaje de la celda.

A una temperatura ambiente la celda produce una fem

entre 0.7 y 0.75 V y la corriente cortocircuito entre 0.5 y

1.5 mA.

Para los materiales cristalinos que en el futuro se logren

dearrollar con alta conductividad ionica se vislumbran

otras aplicaciones tecnológicas, ademas de las señaladas

como electrolitos sólidos que reemplacen los liquidos

tradicionales que revolucionaran la microiónica de forma

similar como la microelectrónica, cuyo desarrollo se debió

a sus homologos de carácter electronico y que se agrupan

en los materiales semiconductores.

Sin embargo, se requiere mayor entendimiento de la fisica

de estos materiales para asegurar ese desarrollo deseado:

el problema básico que que se plantea a nivel científico es

el de poder predecir cuáles estructuras cristalinas llegan a

ser “conductores seperiónicos”, o sea, en establecer cuales

mecanismos son responsables de la estabilización de este

estado de alta movilidad iónica, que ojalá sea así a

temperatura ambiente.

Bibliografía

Smart L. y Moore E. Química del estado sólido una

introducción. Addison-Wesley. Iberoamericana. 1995. pp.

109-116.

Benitez Rico Adriana; Tesis doctoral: “estudio de las

propiedades estructurales y electronicas en peliculas

delgadas nanoestructuradas de óxidos metálicos utilizados

como conductores iónicos obtenidas por la técnica de rocio

pirolítico”; 2016, Mexico D.F. UNAM

Ruben A. Vargas; artículo: Conductores iónicos en estado

sólido.

Castillo Baltazar Alejandro López Cervantes Valeria Belén

Diodos

Cuando se denomina “semiconductor” a un material, se indica que éste ya no es ni

un buen conductor ni un buen aislante, sino que se encuentra en un lugar

intermedio.

El proceso de introducir impurezas de un elemento en la red de otro material puro se

llama dopaje. Cuando se introduce como impureza un elemento con cinco electrones

en su capa de valencia, el material dopado se convierte en un material tipo N. En

cambio, si el dopaje se hace con una impureza con tres electrones en su capa de

valencia, el material será uno de tipo P. Los materiales semiconductores tipo N tienen

un exceso de portadores de carga negativos, mientras que los materiales tipo P tienen

un exceso de portadores de carga positivos.

Cuando dos materiales, uno de tipo N y otro de tipo P, se unen, forman un dispositivo

llamado diodo. Este dispositivo ofrece una resistencia extremadamente baja al flujo

de corriente en una dirección, y una resistencia extremadamente al flujo de corriente

en la otra. Esta característica hace que el diodo tenga sus aplicaciones que requieren

circuitos que se comporten de manera diferente según sea la dirección de la corriente

aplicada, y en la idealidad de nula resistencia en una dirección e infinita resistencia

en la dirección contraria hace que el diodo sea un conductor a la mínima diferencia

de potencial aplicada.

En un diodo formado por la unión de semiconductores la conexión al material tipo P

se le conoce como ánodo, en tanto que la conexión al material tipo N se le denomina

cátodo. Si no hay un potencial aplicado, los electrones pasan del material tipo N al

tipo P, lo que produce una región en cada lado de la unión donde no hay portadores

de carga libres. Esta zona se conoce como región de agotamiento.

Figura 1. Diodo de unión P-N

Si se aplica un voltaje positivo al material de tipo P, los portadores de carga positivos

libres se repelen y se alejarán del potencial positivo hacia la región de agotamiento.

Del mismo modo, el potencial negativo aplicado al material de tipo N hará que los

portadores de carga negativos libres se alejen del potencial negativo hacia la unión.

Cuando los portadores de carga positivos y negativos llegan a la unión, se atraen

unos a otros y se combinan. A medida que cada portador de carga negativo y positivo

se combina en la unión, se introducirá un nuevo portador de carga negativo y positivo

en el material semiconductor de la fuente de tensión. A medida que estos nuevos

portadores de carga entren en el material semiconductor, se moverán hacia la unión

y se combinarán. Por lo tanto, el flujo de corriente se establece y continuará durante

el tiempo que se aplica la tensión.

Existen distintos tipos de diodos, uno muy común en la vida cotidiana es el diodo

emisor de luz (LED), estos pueden utilizarse como indicadores de uso general y, en

comparación con las lámparas de filamento convencionales, funcionan a partir de

Castillo Baltazar Alejandro López Cervantes Valeria Belén

voltajes y corrientes significativamente menores, la mayoría de los LEDs

proporcionan un nivel razonable de salida de luz cuando se aplica una corriente

directa entre 5 mA y 20 mA.

En los LEDs, un bajo voltaje de corriente continua (CC) circula a través de dos capas

de material semiconductor. El color de la luz depende del material semiconductor

utilizado y del tipo de dopante (impurezas) que se le agregue. El semiconductor se

aloja en una caja epoxi que además funciona como un sistema óptico (lente), que

enfoca la luz producida.

En un LED con polarización directa 1os electrones libres atraviesan la unión y caen

en 1os huecos. Como caen de niveles energéticos altos a niveles bajos, emiten energía.

En los diodos normales esta energía se disipa en forma de calor, pero en un LED lo

hace en forma de luz.

Los LEDs se producen a partir de una variedad de químicos semiconductores,

algunas combinaciones son: InGaAlP (fosfuro de indio, galio y aluminio), AlGaAs

(arseniuro de galio y aluminio), AlGaP (fosfuro de aluminio y galio), GaN (nitruro de

indio y galio), con una variedad de otros combinaciones que se utilizan para

aplicaciones especiales. Estas capas crecen principalmente en un zafiro de un solo

cristal o en un sustrato de carburo de silicio.

El color de la luz emitida por los fotones de un LED en particular se corresponde con

una determinada frecuencia del espectro electromagnético visible al ojo humano. Sin

embargo, existen LEDs cuya luz no es visible, como ocurre con los materiales que

emiten fotones de rayos infrarrojos “IR” y ultravioletas “UV”.

Los LED han sustituido a las lámparas incandescentes en muchas aplicaciones

porque necesitan muy poca tensión, tienen una larga vida y conmutan muy rápido.

Bibliografía:

Tooley, M. (2006). Electronic Circuits: Fundamentals and Applications. Oxford:

Elsevier Ltd. Pp 87-90.

Schubert, E.F. & Kim, J.K. (2005) Solid state light sources getting smart. Science

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Malvino, P. (2000). Principios de electrónica. Madrid: McGraw Hill. Pp 41-43, 69, 192.