jueves, 25 de marzo de 2010

MATERIALES CERÁMICOS SUPERCONDUCTORES

MATERIALES CERÁMICOS SUPERCONDUCTORES

Existen superconductores cerámicos los cuales son materiales comúnmente denominados como perovskitas. Las perovskitas son óxidos metálicos que exhiben una razón estequiométrica de 3 átomos de oxigeno por cada 2 átomos de metal; son también típicamente mezclas de muchos diferentes metales. Por ejemplo, un caso es el superconductor Y1Ba2Cu3O7, en el cual los metales presentes son el Itrio, Bario y Cobre. Las perovskitas como material cerámico, comparten muchas propiedades con otros cerámicos

POLARIZACIÓN Y PIEZOELECTRICIDAD:

METALES SEMICONDUCTORES Y CERÁMICOS

Es importante explicar que cuando uno aplica un campo magnético a un metal semiconductor o un cerámico, se genera la formación y el movimiento de dipolos contenidos en un material. Estos dipolos son átomos o grupos de átomos que tienen carga desequilibrada, no así en el caso a de la aplicación de un campo eléctrico dichos dipolos se alinean causando una polarización. La polarización ocurre cuando un lado de este átomo o molécula se hace ligeramente más positivo o negativo que el lado opuesto, es decir, se crean dipolos debidos al campo eléctrico. Existen cuatro mecanismos de polarización:

* Polarización electrónica: Consiste en la concentración de los electrones en el lado del núcleo más cercano al extremo positivo del campo. Esto produce una distorsión del arreglo electrónico, y así el átomo actúa como un dipolo temporal inducido. Este efecto, que ocurre en todos los materiales es pequeño y temporal.
* Polarización iónica: Los enlaces iónicos tienden a deformarse elásticamente cuando se colocan en un campo eléctrico debido a las fuerzas que actúan sobre los átomos a más de las de enlaces. En consecuencia la carga se redistribuye dentro del material microscópicamente. Los cationes y aniones se acercan o se alejan dependiendo de la dirección de campo causando polarización y llegando a modificar las dimensiones generales del material.
* Polarización molecular: Algunos materiales contienen dipolos naturales, de modo que cuando se les aplica un campo giran, hasta alinearse con él. No obstante, existen algunos materiales como es el caso del titanato de bario, los dipolos se mantienen alineados a pesar de haberse eliminado la influencia del campo externo.

Anteriormente, al enunciar la polarización iónica, se menciona la posibilidad de que hubiera modificación de las dimensiones del material. Este efecto se conoce como electrostricción, además de darse por cambios en la longitud de los enlaces entre iones, puede ser resultado de la actuación de los átomos como partículas en forma oval en vez de esférica o por distorsión debida a la orientación de los dipolos permanentes de un material. Sin embargo, existen materiales que muestran una propiedad adicional, tales que cuando se les impone un cambio dimensional, ocurre polarización, lo que crea un voltaje o un campo. Los materiales que presentan este comportamiento son piezoeléctricos. Cuando se encuentran entre capas del material conductor, los materiales dieléctricos que se polarizan son capaces de almacenar cargas, esta propiedad se describe mediante dos constantes: constante dieléctrica (relación de la permisividad del material con la permisividad en el vacío) y la resistencia dieléctrica (campo dieléctrico máximo que puede mantener un material entre conductores).

La presencia de polarización en un material después de que se retira el campo eléctrico se puede explicar en función de una alineación residual de dipolos permanentes. Esto sucede al tomar un cristal cuyos dipolos se encuentran orientados de forma aleatoria, de forma que no hay polarización neta; al aplicar un campo, los dipolos comienzan a alinearse con dicho campo. Para finalizar, el campo alinea todos los dipolos y se obtiene la polarización máxima o de saturación; cuando posteriormente se retira el campo, queda una polarización remanente, debida al acoplamiento de dipolos y el material ha quedado permanentemente polarizado. En el caso de los materiales metálicos férricos, que retienen una polarización neta, una vez retirado el campo se conocen como ferroeléctricos.

Para que el material dieléctrico almacene energía, se debe impedir que los portadores de carga como iones y electrones se muevan de un conductor a otro a través de él, en consecuencia, los materiales dieléctricos tienen siempre una alta resistividad eléctrica. Materiales utilizados para aislar el campo eléctrico deben poseer alta resistividad eléctrica, alta resistencia dieléctrica y un bajo factor de pérdida. Sin embargo, una constante dieléctrica alta no es necesaria e incluso puede llegar a ser indeseable. Una constante dieléctrica pequeña impide la polarización, por lo que no se almacena carga localmente en el aislante. Esto quiere decir que únicamente los materiales poco conductores e inclusive aislantes, son capaces de polarizarse con facilidad.

PIEZOELECTRICIDAD PROPIEDAD ELÉCTRICA DE LOS CERÁMICOS

Como se pudo resaltar con anterioridad, un material piezoeléctrico muestra la propiedad, tales que cuando se les impone un cambio dimensional ocurre polarización creando un voltaje o un campo eléctrico. La piezoelectricidad es la deformidad que se produce únicamente en materiales cerámicos al incidir sobre ellos una corriente alterna de alta frecuencia, produciendo una dilatación y contracción que origina vibraciones mecánicas, comportándose así el material como un emisor sonoro. En forma resumida se puede decir que los materiales piezoeléctricos transforman la energía mecánica (o energía sonora) en energía eléctrica (efecto piezoeléctrico directo), y así lo que ocurre es que al someter el material a la acción mecánica de la compresión o tracción, las cargas de la materia se separan y esto da lugar a una polarización de la carga; o puedo ocurrir lo opuesto (efecto piezoeléctrico inverso). Esta polarización es la causante de que salten las chispas.

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Efecto Piezoeléctrico Directo Efecto Piezoeléctrico Inverso

(E. Mecánica à E. Eléctrica) (E. Eléctrica à E. Mecánica)

Para que la materia presente la propiedad de la piezoelectricidad debe cristalizar en sistemas que no tengan centro de simetría (que posean disimetría) y por lo tanto que tengan un eje polar. Los gases, los líquidos y los sólidos metálicos con simetría no poseen piezoelectricidad, esto quiere decir que se va a ver más acentuada la piezoelectricidad en materiales no simétricos como los cerámicos. Si se ejerce una presión en los extremos del eje polar, se produce polarización: un flujo de electrones va hacia un extremo y produce en él una carga negativa, mientras que en el extremo opuesto se induce una carga positiva.

El alto voltaje obtenido, que es necesario para que la chispa salga, es mayor si se utilizan láminas de cristal (u otro cerámico) estrechas y de gran superficie. Las láminas estrechas se cortan de manera que el eje polar cruce perpendicularmente a dichas caras.
La corriente generada es proporcional al área de la placa y a la rapidez de la variación de la presión aplicada perpendicularmente a la superficie de la placa. El mas conocido de los materiales piezoeléctricos es el cuarzo y los más eficaces son los titanatos. Como en estos materiales se establece un campo eléctrico y se induce la polarización bajo al aplicar una fuerza mecánica, o viceversa, estos materiales son muy prácticos para utilizarlos en transductores y otros aparatos de medidas (que veremos mas adelante).

APLICACIONES

PRINCIPALES APLICACIONES DE LOS POLÌMEROS

1.- Baterías:

Una de las aplicaciones más conocidas son las baterías recargables (de litio), estas son de menor peso que las convencionales que contenían plomo y ácido sulfúrico. La aplicación del polímero en estas es que se utiliza electrodos de plástico para así evitar el desgaste mecánico asociado a la disolución/deposición del electrodo que ocurre durante el proceso de carga y descarga de las baterías comunes. Adicional a esto, se haya la ventaja que los polímeros no contienen sustancias tóxicas ni contaminantes que puedan afectar al usuario.

2.- Aplicaciones biomédicas:

El cuerpo humano es otro dispositivo en el que los polímeros conductores podría desempeñar un papel importante en el futuro debido a su alta estabilidad y a su carácter inerte se especula con la posibilidad de su utilización en prótesis neurológicas y musculares.

MUSCULOS ARTIFICIALES:

Los músculos artificiales basados en los polímeros conductores electrónicos intrínsecos fueron patentados en 1992. Las sustancias gelatinosas trabajan a muy elevados potenciales (> 20 V), necesitan dos electrodos metálicos auxiliares para crear el campo eléctrico que requieren, trabajan mediante fenómenos electrocinéticas (electroforesis y electro-ósmosis), son dispositivos electro-kineto-mecánicos en los cuales la velocidad de movimiento es baja. Los nuevos músculos artificiales son en cambio basados en polímeros conductores nos ha acercado a los músculos naturales en varios aspectos fundamentales: trabajan a bajo potencial (100 mV- 2 V) los músculos naturales a 60-150 mV, que es el potencial del pulso nervioso- , el mismo material es conductor electrónico, iónico y es actor y sensor de las condiciones de trabajo. Existe una diferencia importante entre el músculo natural y los nuevos músculos artificiales (o de segunda generación), dicha diferencia data en que el pulso eléctrico transmitido se debe a la acción de la energía química en transformación a energía mecánica producto del metabolismo (energía química-mecánica), por el contrario los músculos artificiales adquieren sus movimientos en base a la corriente eléctrica que es motor del proceso (energía eléctrica-mecánica). Además, el músculo artificial trabaja tanto en contracción como en expansión, mientras que el natural solamente trabaja en contracción.

NERVIOS ARTIFICIALES

Las señales del sistema nervioso van codificadas en pulsos iónicos tales como K+, Na+ o Ca2+, o químicos -neurotransmisores- muchos de ellos también iónicos. Para llegar a captar las "órdenes" enviadas por el cerebro para mover un brazo, y poder amplificarlas y emplearlas en mover un brazo artificial o en conseguir que un paciente no pierda masa muscular después de un accidente, se necesita un transductor ión-electrón. Los óxidos metálicos son empleados como transductores en redes neuronales, pero no son biocompatibles, lo contrario con los polímeros conductores que son biocompatibles, pero desventaja el hecho que tienden a intercambiar aniones.

El intercambio de aniones se puede transformar en un intercambio de cationes mediante una ingeniería molecular sencilla en la síntesis. Al generar eléctricamente polipirrol en presencia de un polielectrólito, como sulfato de poliestireno, carboximetil celulosa o poliacrilato sódico, se genera un material compuesto poilipirrol-polielectrolito, debido a que el polielectrolito va compensando las cargas positivas del polímero durante la generación. Al reducir el polímero los aniones no se van, ya que forman parte de una madeja polimérica entrelazada. Para mantener el principio de electroneutralidad obligamos a que penetren cationes desde el exterior para asociarse con el polianión. Durante la oxidación se expulsan los cationes.

El polímero conductor se transforma así en un transductor en el que una entrada de electrones en el material va asociada con una entrada de cationes y viceversa. Al ser un gel y comportarse, al mismo tiempo, como una membrana, los cationes presentes en el polímero- y su potencial eléctrico -dependen de la concentración en el medio. Ello quiere decir que el electrodo polimérico responde ante la concentración del medio con un potencial eléctrico, por lo que disponemos de la interfase adecuada, biocompatible y sensible, capaz de recibir señales eléctricas y transformarlas en señales iónicas, por lo tanto entendibles por el sistema nervioso, o de responder ante una variación de la concentración iónica, provocada por un pulso nervioso; transformándola en una señal eléctrica.

3.- Sensores:

Los biosensores de medición del amperaje constituyen un amplio campo de trabajo por su interés científico y sus múltiples aplicaciones biomédicas y analíticas. Las posibilidades de inmovilización de los reactivos biológicos (incluyendo enzimas, células, tejidos y anticuerpos) son muy diversas, lo que hace que existan un gran número de trabajos científicos que se publican en la actualidad sobre el tema.

BIOSENSOR

Este es un ejemplo de un sensor, en este el dopado al que se someten los polímeros es bastante sensible al calor, sufriendo así una pérdida de conductividad al calentarse. Conectándolo a una resistencia, estos polímeros permiten controlar la temperatura a la que, por ejemplo, un producto farmacéutico llega a alterarse. También se pueden usar como sensores de radiación si se colocan en una atmósfera de gases que los convierte en dopantes activos cuando son expuestos a radiación.

SENSOR ANALITICO

Este es otro tipo de sensor, en el cual como otra aplicación debida al poder de cambiadores iónicos de los polímeros conductores estos pueden ser utiles, esto se da a que los polímeros son capaces de detectar y separar iones como Hg2+ e incluso Au0 de una gran variedad de disoluciones tanto acuosas como con disolventes orgánicos.

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