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UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA GESTIÓN EN LA PRODUCCIÓN INDUSTRIAL MATERIALES INDUSTRIALES FAOLAIN CHAPARRO

MATERIALES INTELIGENTES

DEISY ALEJANDRA RODRÍGUEZ ESPITIA-20171577126 [email protected] ALLYN NATALIA MARTÍNEZ SOTO-20172577043 [email protected] ANDRÉS FELIPE ROJAS CORTÉS-20172577081 [email protected] MAYERLY MEDINA DEVIA-20171577064 [email protected]

BOGOTÁ D.C.- JULIO DE 2019

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INDICE 1. Introducción ……………………………………………………………………4 2. Objetivos………………………………………………………………………..4 3. Materiales inteligentes………………………………………………………...5 3.2 . Definición de materiales inteligentes…………………………………...5 3.3 . Métodos de obtención de los materiales inteligentes………………...5 3.4 . Método de Top-Down……………………………………………………6 3.5 . Método Bottorn-Up……………………………………………………….6 3.6 . Clasificación de los materiales inteligentes…………………………...7 4. Materiales electro y magnetoactivos………………………………………..8 4.1. Definición de los materiales electro y magnetoactivos………………8 4.2. Fundamento teórico de los materiales electro y magnetoactivos…..8 4.3. Características de los materiales electro y magnetoactivos………...9 4.4. Propiedades de los materiales electro y magnetoactivos…………..10 4.5. Aplicaciones de los materiales electro y magnetoactivos…………..10 4.6. Usos de los materiales electro y magnetoactivos…………………...11 4.7. Materiales piezoeléctricos……………………………………………...11 4.8. Sistema compuesto……………………………………………………..12 4.9. Ejemplo de los materiales electro y magnetoactivos………………..13 5. Materiales Fotoluminiscentes……………………………………………….13 5.1. Definición de los materiales Fotoluminiscentes……………………..13 5.2. Características de los materiales Fotoluminiscentes……………….14 5.3. Materiales luminiscentes como elementos de ahorro de electricidad……………………………………………………………………14 5.4. Electroluminiscentes……………………………………………………15

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5.5. Fluorescentes……………………………………………………………15 5.6. Fosforescencia…………………………………………………………..15 5.7. Propiedades de los materiales Fotoluminiscentes…………………..16 5.8. Aplicaciones de los materiales Fotoluminiscentes…………………..17 5.9. Investigaciones recientes de los materiales Fotoluminiscentes…...18 5.10. Impacto medio ambiental de los materiales Fotoluminiscentes….20 6. Materiales cromoactivos……………………………………………………….....21 6.1 Definición …………………………………………………………….…..21 6.2 Clasificación ……………………...………………………………………22 6.3 Aplicaciones ……………………..………………………………………22 7. Materiales con memoria de forma……………………………………………….23 7.1 Materiales metálicos con memoria de forma………………...……….23 7.2 Definición……………………………………………..…………………..23 7.3 Propiedades………………………………………………….…..……....27 7.4 AleaciónNi-Tio Nitinol……………………………..……...………..…...28 7.5 Propie. Nitinol ……………………………………………….......……..29 7.6 Aplicación del Nitinol…………………………...……………………......29 7.7 Método de obtención………………………………………………...…..34 8. Materiales poliméricos con memoria de forma………………………………...41 8.1 Definición……………………………………………………………..……41 8.2 Características……………………………………………………………..43 8.3 Propiedades …………………………………………………...................43

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8.4 Método de obtención…………………………………………………….44 8.5 Aplicaciones………………………………….……………………………45 8.6 Investigaciones recientes………………………………………………..46 9. Impacto ambiental de materiales inteligentes………………………………..47 10.Prospectiva de materiales inteligente…………………………….……….…50 11.Conclusiones…………………………………………………………………....54 INTRODUCCIÓN Los materiales inteligentes son materiales capaces de responder de modo reversible y controlable ante diferentes estímulos físicos o químicos externos, modificando alguna de sus propiedades. Por el constante avance tecnológico y el incremento de la demanda de materiales con funciones especiales, la investigación de este tipo de materiales ha tenido importantes avances en la época actual, se han desarrollado materiales con funciones de alto nivel de criticidad a un costo asequible, como por ejemplo el nitinol, que se usa en cirugías cardiovasculares o la fabricación de polímeros fotoactivos para reemplazar materiales en receptores fotovoltaicos de paneles solares que tienen un alto costo de producción. En el presente trabajo se podrá encontrar información completa y detallada sobre cada uno de los grupos principales de materiales inteligentes. OBJETIVOS 1. Presentar la clasificación, definición y aplicación de los materiales inteligentes en la actualidad global 2. Informar sobre el impacto ambiental que pueden presentar el uso, fabricación o comercialización de algunos materiales inteligentes

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3. Exponer investigaciones recientes del campo de los materiales inteligentes 4. Suministrar información completa sobre las causas sociales, políticas, económicas por las que se demandan estos tipos de materiales

MATERIALES INTELIGENTES DEFINICIÓN DE LOS MATERIALES INTELIGENTES Un material inteligente es derivado de la nanotecnología y es aquel que posee una o más propiedades que pueden ser modificadas significativamente de manera controlada por un estímulo externo (tales como tensión

mecánica, temperatura, humedad, pH o campos

eléctricos o magnéticos) de manera reversible. (Fundacion Wikimedia, Inc, 2019) extraído de https://es.wikipedia.org/wiki/Material_inteligente

PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES INTELIGENTES Los materiales inteligentes tienen la capacidad de cambiar su color, forma, o propiedades electrónicas en respuesta a cambios o alteraciones del medio o pruebas (luz, sonido, temperatura, voltaje). Estos materiales podrían tener atributos muy potentes como la autoreparación. (Ciencia catalisis libre, 04) extraído de http://cienciacatalisislibre.blogspot.com/2011/01/materialesinteligentes.html

MÉTODOS DE OBTENCIÓN DE LOS MATERIALES INTELIGENTES

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La fabricación y síntesis de las nanopartículas, puede ser realizada por dos procedimientos: 

Por conminuciónen fase sólida (arriba-abajo, top-down)



De abajo-arriba (bottom-up) A su vez estos procedimientos tienen diferentes variantes con diversos grados de eficiencia. Método Top-Down En el método de arriba-abajo se parte de una micropartícula que es sometida a un proceso de molienda con un grado de intensidad variable, según sea el grado de conminución deseado. Con este método se producen nanopartículas de un mayor tamaño, con un menor control del tamaño, de la forma de las nano partículas y del rango de tamaños, con mayor cantidad de impurezas que utilizando el método de abajo-arriba. (Veinticcinque, 2017) extraído de, http://nuevastecnologiasymateriales.com/metodos-de-sintesisde-las-nano-particulas/

Ilustración 1. Proceso mecánico químico del método arriba-abajo (extraído de http://nuevastecnologiasymateriales.com/metodos-de-sintesis-de-las-nano-particulas/)

Método Bottom-Up

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El método de abajo-arriba (bottom-up) sintetiza las nano partículas, ensamblando átomos y moléculas utilizando, generalmente, procedimientos químicos, hasta conseguir un conglomerado de moléculas de tamaño nanométrico. Las fuerzas electromagnéticas de los átomos y de las moléculas originan su autoensamblado; para evitar su aglutinamiento espontáneo, es necesario controlar el proceso de síntesis. El método abajo-arriba puede controlar mejor el tamaño de las nanopartículas, su uniformidad y su forma, reduciendo la cantidad de impurezas. (Veinticcinque, 2017) extraido de http://nuevastecnologiasymateriales.com/metodos-de-sintesis-de-las-nanoparticulas/

Ilustración 2. Proceso químico-físico de la creación de nanoparticulas (extraído de http://nuevastecnologiasymateriales.com/metodos-de-sintesis-de-las-nano-particulas/)

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES INTELIGENTES Si agrupamos por el tipo de estímulo o comportamiento algunos de los materiales comúnmente denominados como inteligentes tendremos:

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1. Materiales electroactivos y magnetoactivos 2. Materiales fotoactivos o fotoluminicentes 3. Materiales cromoactivos 4. Materiales con memoria de forma

MATERIALES ELECTRO Y MAGNETOACTIVOS DEFINICIÓN DE LOS MATERIALES ELECTRO Y MAGNETOACTIVOS Son materiales capaces de alterar sus propiedades reológicas ante variaciones del campo. Son suspensiones de partículas micrométricas magnetizables, en fluidos de distintas naturalezas (aceites hidrocarburos, silicona o agua), que de forma rápida y reversible aumentan su viscosidad bajo la aplicación de campos magnéticos. Existen aplicaciones por ejemplo en los amortiguadores variables en base a fluidos magnetoreológicos. Son materiales que actúan o reaccionan ante cambios eléctricos o magnéticos. Los materiales electro y magneto activos cambian sus propiedades físicas cuando se someten a un campo eléctrico y magnético, respectivamente. Dentro de esta clasificación están los materiales piezoeléctricos, los materiales Electroreológicos y Magnetoreológicos. (S.N), (S.F). Materiales electro

y

magnetoactivos

Tomado

en

Junio

de

2019

desde

http://thecricketgrillo.blogspot.com/2011/01/materiales-inteligentes.html

Fundamento teórico de los materiales electro y magnetoactivos: Estos materiales se han adoptado como un modo válido de calificar y describir una clase de materiales que presentan la capacidad de cambiar sus

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propiedades físicas (rigidez, viscosidad, forma, color, etc.) en presencia de un estímulo concreto 

Existe un acuerdo en cuanto a ciertos criterios o rasgos comunes

que deben presentar los llamados materiales electro y magnetoactivos: 

Estos materiales, de manera intrínseca o embebida, presentan

sensores de reconocimiento y medida de la intensidad del estímulo ante el que reaccionará el material, A su vez presentan “actuadores”, embebidos o intrínsecos, que responden ante dicho estímulo. 

Para controlar la respuesta de una forma predeterminada

presentan mecanismos de control y selección de la respuesta. 

El tiempo de respuesta es corto



El sistema regresa a su estado original tan pronto como el

estímulo cesa. Restrepo N. (S.F) Materiales inteligentes. Tomado en Junio de 2019 desde (https://prezi.com/qtrevxviegjd/materiales-electroactivos CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES ELECTRO Y MAGNETOACTIVOS Los materiales de estas características son capaces de tener respuesta a estímulos externos de características electromagnéticas. Pueden ser magnetorestrictivos o electrorestrictivos. Su uso está bastante arraigado en el desarrollo de sensores. Su obtención está dada gracias a polímeros conductores que siguiendo esta línea de investigación pueden dar paso a innovaciones en ciencia como músculos y demás mecanismos orgánicos artificiales

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Por otro lado, los materiales piezoeléctricos, son usados como convertidores por excelencia de energía mecánica en energía eléctrica y viceversa. También están usados ampliamente en la industria de sensores, vibradores, micrófonos, zumbadores y demás. No solo pueden ser cerámicos, también están los polímeros piezoeléctricos que son también ampliamente usados en áreas de la industria.

Finalmente,

están

los

materiales

electro

y

magnetoreológicos.

Característicos por ser capaces de modificar sus propiedades reológicas ante variaciones de campo. Son básicamente una suspensión de partículas micrométricas que pueden ser magnetizadas en fluidos de diversas características. (S.N), (S.F). Materiales electro y magnetoactivos Tomado en Junio de 2019 desde http://thecricketgrillo.blogspot.com/2011/01/materialesinteligentes.html

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES ELECTRO Y MAGNETOACTIVOS Ductilidad, Resistencia a la corrosión, conductividad eléctrica, Rigidez, Viscosidad, Cambio de Forma y color. APLICACIONES DE LOS MATERIALES ELECTRO Y MAGNETOACTIVOS Al margen de las aplicaciones en sectores como el aeroespacial y militar, los materiales anteriores pueden por sí solos, constituir productos inteligentes o elementos fundamentales como sensores y actuadores de uso en ingeniería civil y servicios a la sociedad en general.

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

La evolución de estos materiales puede permitir llegar a ser

incorporados durante el proceso de elaboración del producto, de modo integrado,

combinando

diferentes

materiales

activos,

reduciendo

y

simplificando los diseños y etapas de fabricación. 

Existen otros sensores como la fibra óptica, que permite medir la

mayoría de las propiedades físicas: desplazamiento, fuerza, fluidez, temperatura, presión, rotación, acústica, campo magnético, campo eléctrico, radiación, vibración y daños 

También es aplicable al control del fraguado de cemento en

piezas prefabricadas, estructuras industriales, grúas, estructuras de máquina herramienta, aerogeneradores, etc. 

La presencia de los materiales activos en el mundo del envase y

el embalaje, permiten garantizar la calidad de los productos y además ayudan a controlar los procesos de producción y distribución, mediante envases que controlen la duración del contenido (film de polímeros biocidas) o que lo defiendan contra la contaminación por microorganismos, etc. 

SmartShirt se hace usando cualquier tipo de fibra. Se teje o se

hace punto que incorpora un sistema conductor patentado de fiber/sensor diseñado específicamente para los requisitos de información biométricos previstos. El ritmo cardíaco, la respiración, y la temperatura del cuerpo toda están calibrados y retransmitidos en el tiempo real para el análisis. Tadokoro, S. (2007). Electroactive Polymers for Robotic Applications, Artificial

Muscles

and

Sensors

tomada

en

https://es.wikipedia.org/wiki/Polímero_electroactivo

junio

de

2019

desde

12

•

Uso de los materiales electro y magnetoactivos: Su uso está bastante arraigado en el desarrollo de sensores. Su obtención está dado gracias a polímeros conductores que siguiendo esta línea de investigación pueden dar paso a innovaciones en ciencia como músculos y demás mecanismos orgánicos artificiales. (S.N), (S.F). Materiales electro y magnetoactivos Tomado en Junio de 2019 desde http://thecricketgrillo.blogspot.com/2011/01/materiales-inteligentes.html

Los materiales piezoeléctricos: adquieren un potencial eléctrico o un campo eléctrico cuando se someten a esfuerzo mecánico. También, se produce el efecto contrario, ya que estos materiales se deforman cuando se les aplica un voltaje. De acuerdo con esto, el „efecto piezoeléctrico‟ es un fenómeno que resulta de una relación entre las propiedades eléctricas y las mecánicas del material. Brewster, David (1824). «Observations of the pyro-electricity of minerals». The

Edinburgh

Journal

of

Science 1:

208-215.(

https://es.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricidad) Sistemas

compuestos

de

los

materiales

electro

y

magnetoactivos: Sensores: es aquel que detecta una señal (dato de entrada). Algunos materiales o aparatos, como las fibras ópticas, los materiales piezoeléctricos, aparatos micro electromecánicos o alambres de guía de onda acústica, se ubican dentro del compuesto para censar cambios en el medio circundante, Debido a las características ya mencionadas, los materiales piezoeléctricos pueden censar deformación, vibraciones o impactos. Por ejemplo, un medidor de deformación piezoeléctrico (strain gage) puede adherirse a un elemento estructural, generándose un voltaje que es función de la deformación o de la amplitud de vibración. Similarmente, los materiales electroestrictivos presentan el efecto de electroestricción, el cual implica un cambio de la dimensión cuando se aplica

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un

campo eléctrico. Una diferencia de

estos materiales con los

piezoeléctricos es que en los primeros existe una dependencia cuadrática de la permisividad sobre el campo eléctrico, mientras que en los últimos existe dependencia lineal. • Los elastómeros electroestrictivos son un ejemplo de material electroestrictivo, y se utilizan como actuadores en robots que trabajan como músculos. • Los materiales magnetoestrictivos pueden responder a campos magnéticos como los piezoeléctricos responden a un campo eléctrico. • Los fluidos magnetoreológicos (MR) y electroreológicos (ER) (fluidos inteligentes) pueden cambiar su viscosidad, drásticamente y de manera reversible, cuando se someten a un campo magnético y eléctrico, respectivamente. (S.N), (S.F). Materiales compuestos inteligentes Tomado en Junio de 2019 desde http://compuestosinteligentes.blogspot.com Ejemplo de materiales electro y magnetoactivos: Un ejemplo claro de este tipo de material es la bicicleta eléctrica de FORD, el prototipo de bicicleta eléctrica diseñado por Ford utiliza un motor en la llanta delantera, incorpora una batería de iones de litio dentro del marco, se ha reemplazado la cadena tradicional por un cinturón de carbono, posee un controlador electrónico integrado y utiliza materiales versa. •

En Conclusión: Estos materiales tienen la capacidad de sentir, actuar y controlar. Con estos materiales se puede mejorar la eficiencia, confiabilidad y durabilidad de las estructuras y aparatos. Gracias a estos materiales, los diseñadores tienen a su disposición nuevas formas de controlar movimiento, forma geométrica, vibraciones, flujo aerodinámico y temperatura, y de ahorrar energía y reducir riesgos. Turmero P (S.F)

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Grados de inteligencia de un material tomado en junio de 2019 desde https://www.monografias.com/trabajos105/materialesinteligentes/materiales-inteligentes.shtml

MATERIALES FOTOLUMINISCENTES DEFINICIÓN DE LOS MATERIALES FOTOLUMINISCENTES 

Los materiales fotoluminiscentes son aquellos en los que se producen cambios de diferente naturaleza como consecuencia de la acción de la luz o que por otro lado son capaces de emitir luz como consecuencia de algún fenómeno externo. Éstos producen luz visible o invisible como resultado de una luz incidente, detectable después de que la fuente de estímulo ha sido eliminada. La luminiscencia es todo proceso de emisión de luz cuyo origen no se debe exclusivamente a altas temperaturas, sino que se trata de una forma de luz fría en la que la emisión de radiación lumínica es provocada en condiciones de temperatura ambiente o baja. Dependiendo de la energía que la origina es posible hablar de varias clases de luminiscencia: fotoluminiscencia, fluorescencia, fosforescencia, termoluminiscencia, quimioluminiscencia, triboluminiscencia, electroluminiscencia y radio luminiscencia.

(S,N) (12 de noviembre de 2010).La guía. Tomado en Junio de 2019, desde https://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/fosforescencia

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Ilustración 3 Fotoluminiscente. Tomada de https://pbs.twimg.com/media/DtLLswTWsAAUNde.jpg

CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES FOTOLUMINISCENTES Material Fotoluminiscente está compuesto de materiales acrílicos, alcalino-tierra y silicato, con propiedades químicas estables que causan un efecto de incandescencia. Tras la exposición la luz solar o artificial la película se carga con rapidez para brillar en la oscuridad, el vinil emite un resplandor brillante, visible en la oscuridad hasta por 5 horas. 

Materiales luminiscentes como elementos de ahorro de

electricidad: Aún no son ampliamente conocidas. Los materiales luminiscentes nos permiten ahorrar energía, ya que simplemente se recargan con la luz ambiente y no consumen electricidad. Con materiales luminiscentes es posible terminar con el encendido de luces durante el día en los pasillos oscuros y las escaleras, e incluso en los baños que no disponen de iluminación exterior para determinados momentos. 

Electroluminiscentes: Concreta y simplemente, la

electroluminiscencia es un fenómeno óptico y eléctrico en el cual se genera luz a partir de una corriente eléctrica. Es un fenómeno muy diferente a la de la incandescencia en la que hay emisión de luz debido a la presencia de energía en forma de calor. Este fenómeno aplicable es usado en varios dispositivos emisores de luz como los LEDs, pero los dispositivos denominados electroluminiscentes -EL- comúnmente se refieren a paneles, OLEDs, películas y cables.

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

Fluorescentes: Denominadas en el comercio tubos

fluorescentes. Consisten en unos tubos de vidrio con dos electrodos en sus extremos, en cuyo interior hay pequeñas cantidades de argón y vapor de mercurio; la superficie interna está revestida de sustancias fluorescentes (fósforos) que transforman las radiaciones ultravioletas en rojas, por lo que la luz que emiten es blanca. 

Fosforescencia: Es un fenómeno similar al de fluorescencia, en

el cual ciertos electrones son excitados por la luz, pasando a una órbita de mayor energía, y cuando vuelven a su estado de reposo, liberan parte de esta energía en forma de luz. La diferencia entre ambos fenómenos es que en la fosforescencia la liberación de energía por medio de fotones sucede con retraso, aun cuando la fuente estimulante ya no está presente, al contrario de la fluorescencia, en el cual la liberación de fotones es casi inmediata a su absorción. (S.N)(S,F). Clickmica. Tomado en Junio de 2019 desde https://clickmica.fundaciondescubre.es/recursos/unidades-didacticas/reaccionesluminiscentes/

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES FOTOLUMINISCENTES

El luminol es oxidado en medio básico por el oxígeno (liberado en la descomposición del peróxido de hidrógeno) a ión aminoftalato, que se forma en un estado excitado, es decir de mayor energía, el cual se desactiva emitiendo luz y produciéndose la luminiscencia. (Shakhashiri, 1983). luminol(3-aminoftalhidracida) + H2O2/Fe3+ —-> Ión aminoftalato * +N2 + H2O

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Esta reacción necesita ser catalizada para que se produzca la luminiscencia. Se pueden emplear diferentes catalizadores como sales de Cu (II) o de Co (II). En este caso se utiliza como catalizador el ión hierro (III) (Fe3+) contenido en el hexacianoferrato (III) de potasio (K3Fe(CN)6), conocido también como ferricianuro de potasio. 

El luminol (3-aminoftalhidracida) para exhibir su luminiscencia

debe ser excitado mediante un agente oxidante. 

Propiedades luminiscentes del sulfuro de zinc, un compuesto que

emite un pulso de luz visible cuando una partícula alfa choca contra él. 

Son sólidos con estructura cristalina, aunque también los hay

amorfos, como los plásticos y polímeros, y la mayoría de ellos deben sus propiedades luminiscentes a ser “cristales impuros”, es decir, a que dentro de la estructura pura hay un “prietito” que da al cristal su nombre de material “dopado” o “impuro”. •

compuesto de sodio, entre las cuales puede mencionarse

principalmente al germanato de bismuto. Pero la búsqueda continúa. (S,N)(S,F). EcuRed. Tomada en Junio de 2019, desde https://www.ecured.cu/L%C3%A1mpara_fluorescente

APLICACIONES DE LOS MATERIALES FOTOLUMINISCENTES Normalmente son de naturaleza semiconductora. 

Temas de seguridad (tinta invisible, detección de documentos)



Temas publicitarios (carteles, camisetas, zapatos, cordones,

bolsos, folletos, etc.) 

En óptica (lentes).

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

Fundamentales es señalización (etiquetado/control temperatura-

cadena frío-) 

Seguridad (tuberías y conducciones, elementos peligrosos, etc.



Artículos del hogar (envases microondas, sartenes, placas

calefactoras, vasos-jarras, etc. 

Juguetería.



Sistemas de señalización industrial.



Rutas de evacuación.



Medios preventivos de obstáculos.



Salidas de emergencia.



Guías de evacuación de edificios.



Escaleras, paredes, pisos, etc.



En la construcción y diseño de piscinas, estanques y fuentes.

También se utilizan mucho en locales de ocio. 

También se utiliza en cuartos de baño, duchas y jacuzzis para

crear ambientes mágicos y de diseño. Martinez D. (S.F) Materiales inteligentes. Tomado en Junio de 2019 desde https://www.inteligentes.org/blog/

INVESTIGACIONES RECIENTES DE LOS MATERIALES FOTOLUMINISCENTES Logran desarrollar un material fotoluminiscente de dimensión cero (0D) no tóxico, barato y muy estable

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ESCRITO POR JOSÉ ENRIQUE ÁLVAREZ EL 3 OCTUBRE,2018 EN INVESTIGACIÓN, NANOTECNOLOGÍA

Científicos del Instituto de Tecnología de Tokio han diseñado un nuevo material fotoluminiscente que es barato de fabricar, no utiliza materiales de partida tóxicos y es muy estable, mejorando así nuestra comprensión cuántica de la fotoluminiscencia. Comprender y dominar la generación de luz podría permitirnos construir y mejorar todo tipo de dispositivos ópticos y electrónicos para su utilización en diversas aplicaciones. Los puntos cuánticos (QD – Quantum Dots), nanopartículas especialmente diseñadas para emitir luz a ciertas frecuencias cuando son excitadas, son uno de los temas centrales de la actual nanotecnología. Sin embargo, sus aplicaciones son limitadas ya que es muy difícil fabricar capas delgadas QD: usan materiales de partida tóxicos como el cadmio y plomo, y sintetizarlos es muy costoso. Algunos materiales fotoluminiscentes de dimensión cero (OD) (materiales en los que los electrones están confinados en unos pocos nanómetros – < 100nm – y pueden excitarse para producir luz) han sido probados, pero todavía dependen en gran medida del plomo. Por ello, los científicos del Instituto Tecnológico de Tokio, dirigidos por el profesor Hideo Hosono, diseñaron un novedoso material fotodinámico sin plomo 0D y lo analizaron para obtener información sobre la naturaleza de los materiales fotoluminiscentes. El material fabricado, Cs3Cu2I5, tiene una estructura cristalina. Los átomos de cesio confinan las e unidades de Cu2I5, que emiten luz azul cuando se excitan a frecuencias específicas similares a los Puntos Cuánticos. Los investigadores pudieron fabricar una película delgada

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utilizando este material, que demostró ser muy estable y tenía excelentes características fotoluminiscentes. “la capa delgada exhibió una buena estabilidad en condiciones ambientales, es decir, sin una degradación notable en el rendimiento cuántico fotoluminiscente (PLQY) durante dos meses”, afirma Hosono. El equipo dio un paso más y logró demostrar la utilización del material en dos aplicaciones. La primera era una película o capa luminiscente blanca, fabricada mezclando el material emisor de luz azul con un fósforo amarillo en una proporción específica para producir luz blanca. Capas con diferentes colores de emisión de luz podrían prepararse variando la proporción de ingredientes utilizados. La segunda aplicación fue el desarrollo de un LED azul, que desafortunadamente exhibió un pobre rendimiento en electroluminiscencia. Sin embargo, permitió al equipo comprender mejor los mecanismos subyacentes de la electroluminiscencia, que serán muy útiles en futuros investigaciones. “La exploración de compuestos de dimensiones ultra-bajas basadas en haluros de CU resultó ser una nueva ruta para obtener un material luminiscente con PLQY libre de PB”, concluye Ozono. Es de esperar que dichos materiales vean la luz y se desarrollen en futuras aplicaciones ópticas y de nanotecnología. Alvares. J (3 de octubre de 2018). Tomado de smartlighting. Desde https://smartlighting.es/logran-desarrollar-material-fotoluminiscente-0d-no-toxico-barato-estable/

IMPACTO MEDIOAMBIENTAL DE LOS MATERIALES FOTOLUMINISCENTES

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La tecnología luminiscente es una tecnología que ofrece ventajas respecto a la energía eléctrica. La primera de ellas es obvia, como es una radiación electromagnética, una vez cargada, no puede fallar (es por lo tanto 100% fiable), ni tampoco puede ser detenida. La carga se produce con la luz ambiental que existe en cualquier lugar. No depende por lo tanto de la electricidad o de una batería, en caso de emergencia. Permite ahorrar energía, se recarga con la luz existente y por lo tanto tiene consumo cero. Pérez M. (Enero de 2013). Tomada de Universidad de cantabria. Desde https://repositorio.unican.es/xmlui/bitstream/handle/10902/1933/TesisMJPE.pdf?seque nce=1&isAllowed=y

MATERIALES CROMÓACTIVOS DEFINICIÓN DE LOS MATERIALES CROMOACTIVOS Son los materiales que presentan cambios de color, en presencia de un estímulo externo, como por ejemplo la temperatura, la corriente eléctrica, la presión y la radiación UV. (Inteligentes.org, 2016) extraído de https://www.inteligentes.org/90-cromoactivos CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES CROMOACTIVOS Estos materiales se clasifican en: Termocrómicos: Que cambian reversiblemente de color con la temperatura, este cambio de color ocurre dentro de un rango de temperaturas y como regla general son compuestos semiconductores. Estos materiales poseen las siguientes propiedades:

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

Permiten seleccionar el color y el rango de la temperatura



Cambios reversibles e irreversibles



Baja resistencia a la luz ultravioleta



Semiconductores

Electrocrómicos: Tienen la propiedad de cambiar el espectro de absorción y, generalmente, también cambian de color, cambia el estado de oxidación de la aplicación de una diferencia de potencial externa. Estos materiales poseen las siguientes propiedades. 

Cambian de espectro de absorción



Reversible



La coloración se mantiene durante mucho tiempo sin necesidad de una aplicación constante de carga eléctrica.

Fotocrómicos: Cambian reversible mente de color con cambios en la intensidad de la luz. Este tipo de materiales no se ve en las zonas oscuras. Cuando la luz solar o a la radiación UV se aplica a la estructura molecular del material cambia y aparece el color, que desaparece cuando deja de origen. Estos materiales poseen las siguientes propiedades. 

Cambios reversibles



No se ven en la oscuridad



Son una especie de tintes



Su color desaparece cuando cesa el estímulo.

(inteligentes.win, s.f.) extraído de APLICACIONES DE LOS MATERIALES CROMOACTIVOS

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Los materiales Cromoactivos- Termocrómicos tienen aplicaciones en el campo de la juguetería, la señalización, seguridad, artículos del hogar, pinturas. Los materiales Electrocrómicos tienen aplicaciones en el campo de industria automotriz, espejos retrovisores antideslumbrantes, ventanas inteligentes, pantallas digitales con mayor definición. Los materiales Fotocrómicos tienen aplicaciones en el campo de la óptica, almacenamiento de datos, pigmentos, textiles y química supramolecular. (MATERIALES INTELIGENTES , s.f.) extraído de https://materialesinteligentes.win/cromoactivos/

MATERIALES CON MEMORIA DE FORMA La propiedad de memoria de forma se presenta en materiales metálicos y materiales poliméricos. CLASIFICACIÓN DE MATERIALES CON MEMORIA DE FORMA Los materiales con memoria de forma se clasifican según el tipo de material que lo conforman, estos pueden se metálicos y poliméricos.

MATERIALES METÁLICOS CON MEMORIA DE FORMA DEFINICIÓN DE LOS MATERIALES METALICOS CON MEMORIA DE FORMA

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La memoria de forma se define como la capacidad de un material de recuperar su forma inicial incluso tras haber sufrido grandes deformaciones. El proceso que permite este comportamiento es la transformación austenita-martensita, que consiste en un cambio de estructura cristalográfica sin difusión, es decir, un reacomodo de los átomos debido a una deformación por cizalladura y sin migración de átomos. (Cordovilla, 2003) extraído de http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf

Proceso de cambio de forma de metales con memoria de forma La memoria de forma en las aleaciones metálicas se presenta por el cambio entre estructuras cristalinas puede ser

provocada por la

variación de la temperatura. Las estructuras cristalinas que se presentan en este proceso son la austenita cuya distribución atómica es organizada y secuencial y la martensita que presenta una distribución atómica diagonal y separada. El proceso de transformación de austenita a martensita se denomina

transformación

por

desplazamiento,

que

es

un

reordenamiento de los átomos que componen una matriz sin provocar ruptura de enlaces y con desplazamiento pequeño. En este caso los átomos se reordenan para llegar a una nueva estructura cristalina más estable pero sin cambiar la naturaleza química de la matriz. Esto ocurre

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por la presencia de temperatura y no depende del tiempo que se le aplique esta.

Ilustración 4. Proceso de transformación por desplazamiento de austenita a martensita (extraído de http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf)

Durante el proceso de desplazamiento entre las figuras b y c se presenta otro proceso denominado maclado ( es la agrupación simétrica de cristales idénticos) el cual permite que el efecto de memoria funcione porque acomoda los átomos de la red de forma organizada y precisa, sin romper los enlaces, en el estado austenitico los átomos están organizados en forma de matriz cuadrada y al pasar por medio de una disminución en la temperatura al estado martensítico la matriz se contrae sin romper ningún enlace como se observa en la Ilustración 4.

Ilustración 5. Proceso de maclado (extraído de http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf)

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En el proceso de maclado los enlaces que anteriormente se encontraban verticales ahora son diagonales y opuestos, la carga de los átomos tiende a moverlos para conseguir una posición estable, en este punto es aplicada una carga para conseguir la estructura cristalina martensítica.

Ilustración 6. Aplicación de una carga en el proceso de maclado para alcanzar la estructura martensítica (extraído de http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf)

Proceso de recuperación o memoria de forma El proceso para “enseñar” al material ha de ser aplicado con la misma deformación de forma repetida, esto es lo que se conoce como “training” y el procedimiento más común es el siguiente: 1. Enfriar el material que se encontraba en fase Austenita, hasta una

temperatura

por

debajo

de

la

temperatura

final

de

transformación martensítica (Mf), sin aplicar carga. Esto provoca una transformación martensítica completa sin deformación apreciable. 2. Aplicar carga y descarga al material en estado martensítico. Esta secuencia provoca una deformación visible.

27

3. Calentar el material hasta una temperatura por encima de la temperatura final de transformación austenítica (Af), sin tensión. Esto hará que el material recupere su forma anterior al enfriamiento, provocando la transformación de Martensita a Austenita. (Cordovilla, 2003)

extraído

de

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico. pdf

Ilustración 7. Gráfico Carga- Temperatura de la transformación cristalina entre austenita y martensita (extraído de http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf)

PROPIEDADES DE METALES CON MEMORIA DE FORMA Estos materiales presentan además unas características que los hacen aún más interesantes. Memoria de forma doble: Consiste en recordar la forma tanto a altas como a bajas temperaturas, es decir, una en estado austenítico y otra en

28

estado martensítico. Todo esto sin la aplicación de carga, tan solo calentando o enfriando. Superelasticidad: Esto se refiere al hecho de que puede deformarse en torno a un 15 %. Este fenómeno se basa en la formación de Martensita inducida por tensión. La tensión se le aplica en la transición de austenita a martensita en una temperatura más elevada que la Ms, la tensión aplicada es directamente proporcional al incremento de la Ms. Pseudoelasticidad: Fenómeno que se produce a temperatura constante en fase totalmente austenítica. Esto produce unas deformaciones más grandes que las deformaciones elásticas y reversibles. Biocompatibilidad: Esto se debe a sus propiedades mecánicas cercanas a las de los huesos y tejidos humanos. Así como su comportamiento bioinerte.

(Cordovilla,

2003)

extraído

de

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf

ALEACIÓN NI-TI O NITINOL La característica de memoria de forma se consigue por medio de aleaciones, ya que esta propiedad no se presenta en metales primarios, la aleación que presenta la mejor recuperación de forma y la más comercializada y utilizada en la actualidad es la de Ni-Ti (Níquel-Titanio) o también llamada Nitinol, debido a que además de su gran margen de recuperación también es biocompatible, anticorrosiva y posee un coeficiente de resistividad elevado. (Cordovilla, 2003) extraído de http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf

29

PROPIEDADES NITINOL

Ilustración 8. Tabla de propiedades del Nitinol (extraído de http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf)

APLICACIONES DEL NITINOL Las principales aplicaciones de las aleaciones de NiTi son: Cirugía cardiovascular: Principalmente en la fabricación de estents coronarios que generalmente son implantes permanentes insertados con la ayuda de un catéter que mantiene el dispositivo a una temperatura por debajo de As y en fase martensítica, hasta el momento de despliegue. Cuando el estents sale del catéter, la temperatura corporal

30

hace que cambie de forma. La ilustración (Cordovilla,

2003)

muestra el proceso típico. extraído

de

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf

Ilustración 9. Como fucionan los estent para desbloquear arterias. La malla metálica es deformable en frío, permitiendo su fácil colocación en el interior de la arteria. Con el calor corporal, la malla se abre y convierte en rígida, empujando las paredes arteriales y aumentando el espacio para que circule la sangre (extraído de http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf)

Ortopedia: En este campo tiene numerosas ventajas. Utilizados en: 1. Clavos de fijación intramedular: Fijan la estructura del hueso, sin embargo, un problema común está a la hora de sacar estas fijaciones ya que pueden dañar el hueso propiamente. La aplicación de este material mitigaría este efecto ya que mediante la aplicación de calor se puede disminuir el diámetro del clavo para sacarlo más fácilmente. (Cordovilla, 2003)

31

Ilustración 10. Clavos intramedulares (extraído de http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf)

Ilustración 11 (extraído de http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf)

2. Grapas de fijación ósea: Se utilizan en las uniones de huesos fracturados. (Ilustración 10) (Cordovilla, 2003) 3. Placas compresión

a

de

huesos

osteosíntesis: fracturados

Se

para

rápidamente.(Ilustración 11) (Cordovilla, 2003)

utilizan

que

se

para

aplicar

reparen

más

32

Ilustración 32 (extraído de http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf)

4.

Espaciadores de la columna vertebral: Son utilizados

para abrazar las vértebras. El mecanismo de posicionamiento siempre es el mismo. En la ilustración 12 se observa los dos estados en los que puede encontrarse esta pieza. (Cordovilla, 2003) 5. Varillas para la corrección de la escoliosis. Conocidas como varillas de Harrington, se colocan en la columna para corregir su desviación. (Ilustración 13) (Cordovilla, 2003)

Ilustración 43 (extraído de http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf)

Ilustración 54. (extraído de http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf)

33

Ortodoncia: Dado que permite la colocación sencilla de endodoncias, que son deformables en frío, pero que se convierten en rígidas con el calor corporal. El hilo de NiTi es capaz de aplicar tensiones tal como lo hacen las varillas de Titanio hoy en día utilizadas. Sin embargo, las tensiones aplicadas por el NiTi son menores, pero se mantienen a lo largo del tratamiento. (Ilustración 14) (Cordovilla, 2003)

Ilustración 65 (extraído de http://ortocervera.com/alineacion-y-nivelacion-con-arco-recto-biomecanicabasica/)

Industria de entretenimiento: En el mundo de los efectos especiales también se utiliza el nitinol en trucos de magia. Por ejemplo, este abrebotellas fabricado con nitinol, que puede recuperar su forma con el calor corporal. (Polo, 2016) extraído de https://isqch.wordpress.com/2016/12/05/nitinol-unmaterial-magico-hecho-de-ciencia/

34

Ilustración 76, destapador elaborado con nitinol (extraido de https://isqch.wordpress.com/2016/12/05/nitinol-un-material-magico-hecho-de-ciencia/)

Robótica: Por su baja conductividad eléctrica, a pesar de ser una aleación metálica. Cuando hacemos circular a través de un conductor fabricado con nitinol una corriente, la resistencia que éste opone al paso de los electrones provoca un calentamiento de dicho conductor por el efecto Joule. Si ajustamos esta pequeña variación de temperatura para que coincida con la etapa de transición de la aleación, tenemos un conductor que se contrae o se estira en función de la intensidad de corriente que lo atraviesa. Además, como el volumen ha de ser constante, su diámetro también variará. Basándose en este sencillo principio se ha desarrollado un alambre de nitinol, el flexinol, pensado para funcionar como actuador. Un alambre flexinol de solo 0,4 mm tiene una fuerza de contracción de casi 2 Kg, y su tiempo de respuesta puede variar entre un segundo y varios milisegundos. Esta fuerza la podemos aprovechar para múltiples usos; el más importante dentro de la robótica es la fabricación de ‘músculos de alambre’, músculos-actuadores de autómatas que permiten el movimiento de sus partes mecánicas. Un ejemplo es la mariposa animatrónica. En ella, el control de transformación del nitinol permite

el

control

sobre

sus

alas.

(Polo,

2016)

extraído

de

35

https://isqch.wordpress.com/2016/12/05/nitinol-un-material-magico-hecho-deciencia/ MÉTODO DE OBTENCIÓN DEL NITINOL Para la obtención del nitinol se usa el método de aleado mecánico, el proceso de aleado mecánico tiene como finalidad alear dos o más metales a baja temperatura, consiguiendo partículas constituidas por las distintas especies formando una única solución sólida. El tamaño de partícula al finalizar el proceso no tiene por qué coincidir con los iniciales.

(Cordovilla,

2003)

extraído

de

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf El equipo Attritor mil: Consiste en un tambor vertical que contiene bolas de pequeño diámetro y un rotor vertical con varios impulsores, (Ilustración 13). El rotor gira y transmite energía a las bolas, que chocan contra el polvo (entre ellas y contra las paredes de la vasija) y permiten entonces una reducción del tamaño de partículas. A mayor velocidad de giro del rotor más energía se transmite a las bolas (a condición que la fuerza centrífuga no sea demasiado grande ya que en ese caso las bolas se pegarían a las paredes de la vasija) y por tanto más energética será la molienda. Durante este proceso el tamaño de las partículas del polvo va disminuyendo gracia a los impactos de las bolas de acero y sobre las paredes de la vasija. Así mismo, se van creando defectos en las estructuras cristalinas de los materiales que promueven la difusión atómica de los elementos, permitiendo la formación de nuevas fases con

36

mayor

facilidad.

(Cordovilla,

2003)

extraído

de

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf

Ilustración

17.

Molino

tipo

Attritor,

(extraído

de

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf)

Efectos del proceso Durante el proceso de choque entre bolas, el polvo que está entre estas se va deformando, endureciendo, fracturando y/o soldando. En una primera etapa, el tamaño de partícula tiende a aumentar. El polvo, deformado, endurecido y fracturado genera una rápida producción de partículas pequeñas. Por tanto, la energía superficial de las partículas aumenta y se crean aglomerados. Esto provoca que el tamaño de partículas aumente. Las partículas formadas son entonces una mezcla de los polvos iniciales introducidos en la molienda. En una segunda etapa, esas grandes partículas constituidas de varias partículas iniciales de polvo sufren cada vez más los choques, siendo endurecidas y fracturadas por

37

fatiga. El tamaño de partícula por tanto tiende a disminuir. Este tamaño de partícula tiene un límite inferior definido por el radio de las bolas, y el espacio más pequeño que queda entre ellas al chocar. Durante todo el proceso de AM, los defectos en el material aumentan por la energía recibida durante el proceso. Esos defectos mejoran la difusión de los elementos en la matriz. Además, la distancia de difusión se reduce al producirse microsoldaduras en los polvos. (Cordovilla,

2003)

extraído

de

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf PARÁMETROS DEL ALEADO MECÁNICO (AM) Existen diferentes parámetros en el aleado mecánico que influyen sobre el producto al final del proceso: el tiempo de molienda, la velocidad de giro del rotor, la relación de bolas, la atmósfera de molienda, los materiales de los equipos, el agente de control del proceso (ACP), la temperatura,

etc.

(Cordovilla,

2003)

extraído

de

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf Agente Controlador del Proceso (ACP) Suele tratarse usualmente de un compuesto orgánico formado por moléculas de cadena larga en forma de polvo, que se introduce en la vasija junto a las bolas antes de iniciar el proceso de AM. Al recubrirlas, dificulta la soldadura, tanto entre las propias bolas, como entre estas y la vasija y los elementos a alear. De este modo, favoreciendo o limitando los procesos de fractura y soldadura durante la molienda, ayuda a controlar el tamaño medio de partícula de los polvos molidos, pues favorece la

38

formación de fases frágiles que ayudan a romper las partículas. Además tiende a disminuir la tensión superficial. El ACP se elige en función de las propiedades del material a moler, de las propiedades que uno desea obtener y de la pureza necesaria. Se trata, en nuestro caso, de una cera orgánica en micropolvo de cadena larga con alto contenido en oxígeno y carbono (etilen bis-estearamida) de la marca Hoechst. Esta cera es muy utilizada en pulvimetalurgia por sus buenas propiedades lubricantes, así como su capacidad de ser eliminada a menos de 500oC sin ser depositada en las paredes del horno a utilizar. (Cordovilla,

2003)

extraído

de

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf La velocidad de giro Al aumentar la velocidad de giro, se aumenta la energía de impacto entre las bolas, pero controlando que la velocidad no sea demasiado alta. En ese caso se podrían pegar las bolas a las paredes de la vasija o causar un aumento de la temperatura que puede ser nefasta según

los

casos.

(Cordovilla,

2003)

extraído

de

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf La temperatura Es un factor importante en el aleado. La temperatura puede determinar la naturaleza del producto final. El incremento de temperatura durante el aleado depende principalmente de dos parámetros, la energía cinética de las bolas y de los posibles procesos exotérmicos ocurridos durante el proceso, es decir que la temperatura es una variable que está

39

en función de la velocidad, a menor velocidad de molienda menor temperatura en la cámara, para el aleado entre Ni y Ti es recomendable una temperatura alta entre 150 y 172 °C, debido a que en esta condición de temperatura se recristaliza el material, a temperatura baja el material tiene

estructura

amorfa.

(Cordovilla,

2003)

extraído

de

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf Relación de bolas Al aumentar la proporción de bolas respecto al polvo, se aumenta el número de colisiones con las bolas luego el proceso de molienda se desarrolla de manera más rápida, lo que hace que aumentar la cantidad de bolas sea equivalente a disminuir el tiempo de molienda. Por dar un orden de magnitud, para una pequeña vasija se emplea una proporción de bolas en peso del orden de 10:1, 20:1 mientras que para mayor capacidad se emplea una proporción del orden de 50:1 o 100:1. (Cordovilla,

2003)

extraído

de

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf Tiempo de Molienda El tiempo de molienda es el factor más importante para evaluar la evolución microestructural del polvo y el grado de aleado. Se debe intentar que el producto no esté aglomerado, pero a su vez la reducción de tamaño obtenida tiene que ser suficiente. Hay también que cuidar que el tiempo no sea demasiado grande para que no aparezcan fases indeseables o alcanzar niveles de contaminación elevados. (Cordovilla,

40

2003)

extraído

de

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf La atmósfera La principal razón para utilizar una atmosfera u otra durante el aleado es evitar la posible contaminación del polvo. Por esto, lo más común es utilizar un gas inerte en el proceso como Argón o Helio. En otros casos se puede emplear atmosferas de reacción como el Nitrógeno o el Amoniaco, las cuales buscan reaccionar con los polvos presentes para bien incorporarse a ellos o formar reacciones novedosas. Sin embargo, no es recomendable en moliendas que utilicen Titanio ya que reaccionan produciendo ´óxidos y contaminando aún más el polvo. (Cordovilla,

2003)

extraído

de

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf Tasa de llenado de vasija Para tener una molienda óptima no se debe llenar en totalidad la vasija. Si la vasija estuviese completamente llena las bolas no podrían chocar correctamente para moler el polvo. Se conoce que la tasa óptima es cerca del 50%. Se puede también moler con una tasa de llenado inferior, pero la productividad será en ese caso menor. (Cordovilla, 2003) extraído

de

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf La sinterización La sintonización es el proceso mediante el cual un cuerpo formado por polvos metálicos, cerámicos o una combinación de estos,

41

densifica, empleando para ello la temperatura como medio de activación difusional.

(Cordovilla,

2003)

extraído

de

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf

La sinterización en fase sólida se define como el tratamiento térmico de un polvo compacto, a temperatura inferior a la de fusión de la aleación, que va a permitir una difusión atómica, en estado sólido, de las especies

presentes.

(Cordovilla,

2003)

extraído

de

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf

Temperatura de sinterización Para evitar la aparición de la fase líquida, hay que trabajar a una temperatura inferior a la de su aparición (942ºC). Además hay que elegir una temperatura elevada para facilitar la difusión de las especies, luego se sinterizará a temperaturas próximas a los 940ºC (Cordovilla, 2003) extraído

de

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4901/fichero/2.Marco+teorico.pdf MATERIALES POLIMÉRICOS CON MEMORIA DE FORMA DEFINICIÓN DE LOS MATERIALES POLIMERICOS CON MEMORIA DE FORMA El efecto de memoria de forma es la respuesta mecánica de un material debida a la aplicación de un estímulo externo. Los materiales con memoria de forma poseen una forma permanente que puede ser deformada

42

hasta alcanzar una forma temporal estable. Esta forma temporal es retenida hasta que el material es expuesto a un estímulo apropiado, recuperándose la forma

original.

(M.A.

Malmierca*,

2012)

extraído

de

https://www.researchgate.net/profile/Angel_MarcosFernandez/publication/236171393_Polimeros_con_memoria_de_forma_Un_ nuevo_horizonte_para_los_elastomeros/links/00b49517f82af1fe0f000000.pdf Entre los más utilizados actualmente se encuentran las aleaciones cuya memoria de forma está basada en la existencia de dos fases cristalinas estables: la fase austenita a alta temperatura y la fase martensítica a baja temperatura. Sin embargo, las aleaciones con memoria de forma poseen algunas características que limitan sus posibles aplicaciones, como su alto coste, difícil procesabilidad y bajo límite de deformación reversible (mantienen las propiedades de memoria de forma hasta deformaciones del 10%). En este sentido, los polímeros con memoria de forma son una alternativa con numerosas ventajas, como su alta deformación elástica (deformaciones reversibles mayores de 200%), bajo coste, baja densidad, posible biocompatibilidad y biodegradabilidad. extraido

de

(M.A. Malmierca*, 2012)

https://www.researchgate.net/profile/Angel_Marcos-

Fernandez/publication/236171393_Polimeros_con_memoria_de_forma_Un_ nuevo_horizonte_para_los_elastomeros/links/00b49517f82af1fe0f000000.pdf

43

CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES POLIMERICOS CON MEMORIA DE FORMA Son materiales que tienen la capacidad de cambiar la geometría de una forma inicial deformada, a otra predeterminada durante su proceso de fabricación. · Son más económicos que las aleaciones con memoria de forma. · Se pueden emplear diversos aditivos para la modificación “a la carta” de sus propiedades, buscando una mejor adaptación de las mismas a la aplicación final. · El nivel de deformación que se consigue con las SMPs es mayor que con las SMA · Su procesado también es más sencillo y permite el empleo de “Tecnologías de Prototipado Rápido”, lo que acelera la obtención de dispositivos. · Permite la obtención de geometrías y actuadores más complejos que los basados en aleaciones con memoria de forma. (Fundación OPTi, 2010) extraído de https://icono.fecyt.es/sites/default/files/filepublicaciones/bvt_mat_n2.pdf PROPIEDADES DE LOS POLIMEOS CON MEMORIA DE FORMA Propiedades

Polímeros con memoria de forma

Densidad (g/cm3)

0.9-1

Módulo a T < Ttran (GPa)

0.01 – 3

Módulo a T >Ttran (GPa)

(0.1 -10)x10 -3

44

Deformación recuperable (%)

250-800

Temperatura de recuperación

10-100

Fuerza requerida para la deformación

1-3

(MPa) Velocidad de recuperación

1s- varios minutos

Conductividad térmica (Wm-1K-1)

0.15-0.30

Biocompatibildad y biodegradabilidad

Pueden ser biocompatibles y biodegradables

Condiciones de procesado

< 200°C, baja presión

Coste

Bajo

Tabla de propiedades generales de los polímeros con memoria de forma (extraído de

https://icono.fecyt.es/sites/default/files/filepublicaciones/bvt_mat_n2.pdf)

MÉTODO DE OBTENCIÓN DE MEMORIA DE FORMA EN MATERIALES POLIMÉRICOS Aunque existen diferentes mecanismos de inducción del efecto (térmicamente, químicamente y foto-inducido) dependiendo de la estructura y composición del polímero, el efecto termo-inducido es el más común. En este caso, al igual que para las aleaciones, el efecto se basa en procesos de calentamiento y enfriamiento del material por encima o debajo de una cierta temperatura de transición (Ttrans). Estos materiales suelen pertenecer a familias como resinas epoxi, resinas de poliuretano, poliestirenos y acrilatos de estireno.

Al calentar estos materiales por encima de su temperatura de “activación” (Ttrans), se obtiene un cambio radical de polímero rígido a un

45

estado elástico, que permite deformaciones de hasta el 200%. Una vez manipulado, si se enfría el material manteniendo la deformación impuesta, se “congela” dicha estructura volviendo a un estado rígido pero de “no equilibrio”. Volviendo a calentar al material por encima de su Ttrans, se recupera la forma inicial no deformada.

El ciclo puede repetirse numerosas veces sin degradación del polímero y se pueden formular diferentes materiales con temperaturas de activación entre 30 ºC y 260 ºC, según la aplicación deseada. Son, por lo tanto, materiales activos que presentan acoplamiento termomecánico y una capacidad de recuperación de deformaciones elevada, (mucho mayor que la que presentan las aleaciones con memoria de forma), lo que unido a su menor densidad y coste ha potenciado el diseño de numerosas aplicaciones. Sus propiedades permiten aplicaciones en fabricación de dispositivos sensores – actuadores, especialmente para las industrias aeronáutica, automovilística y médica.

(Fundación

OPTi,

2010)

extraído

https://icono.fecyt.es/sites/default/files/filepublicaciones/bvt_mat_n2.pdf

de

46

Ilustración 88. Diagrama de efecto de memora de forma de un polímero (extraído de https://www.researchgate.net/profile/Angel_MarcosFernandez/publication/236171393_Polimeros_con_memoria_de_forma_Un_nuevo_horizonte_para_lo s_elastomeros/links/00b49517f82af1fe0f000000.pdf)

APLICACIONES DE MATERIALES POLIMERICOS CON MEMORIA DE FORMA Textiles: En donde se incorporan fibras o filmes con memoria de forma en ropa deportiva para impermeabilizar frente a la humedad. Algunos ejemplos son copolímeros de bloque como elastómeros de poliéter amida (con Nylon 6), polímeros lineales con amplias proporciones de norborneno o elastómeros de poliuretano. Medicas: Suturas biodegradables, catéteres. (Ilustración 18)

47

Ilustración 99. Sutura de herida con hilo polimérico biocompatible con cambio a temperatura ambiente y con temperatura corporal (extraído de https://www.researchgate.net/profile/Angel_MarcosFernandez/publication/236171393_Polimeros_con_memoria_de_forma_Un_nuevo_horizonte_para_los_elastomer os/links/00b49517f82af1fe0f000000.pdf)

INVESTIGACIONES RECIENTES DE MATERIALES CON MEMORIA DE FORMA Prendas deportivas con memoria de forma El mundo de la moda y la ropa tiene aún mucho que mejorar gracias al desarrollo de nuevos materiales, como los que utilizan investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts, liderados por Wen Wang, para crear nuevas prendas destinadas al entrenamiento deportivo, que tienen la características de ser transpirables al contar con solapas de ventilación que se abren y cierran en respuesta al calor y el sudor. Estas solapas de ventilación están revestidas con células microbianas vivas que se contraen y se expanden en respuesta a los cambios de humedad, actuando como

48

sensores y activadores, para propiciar que las solapas se abran cuando un atleta suda y se cierren cuando el cuerpo se enfría. Los científicos trabajan en un modelo con el que sea posible combinar nuestras

células

funcionalidades

con en

herramientas

estas

células

genéticas vivas.

Por

para

introducir

ejemplo

otras

utilizando la

fluorescencia para hacer visibles a las personas que están corriendo en la oscuridad. Igualmente será posible combinar las funciones de liberación de olores a través de la ingeniería genética, para que tal vez después de ir al gimnasio, la camiseta utilizada pueda desprender un buen olor. (Olivares, 2017)

extraído

de

https://codigoespagueti.com/noticias/tecnologia/mit-

biologic/

Ilustración 20. Prenda deportiva con solapas con memoria de forma (extraído de https://codigoespagueti.com/noticias/tecnologia/mit-biologic/)

Prendas de SMA

El objetivo de esta investigación interdisciplinar es desarrollar un prototipo de prenda smart-transformable aplicando plegado de tejidos con aleación que permita la memoria de forma (shape memory alloy SMA)

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Los resultados de esta investigación beneficiarían a personas con movilidad reducida, tanto personas en silla de ruedas, como mayores. También podría tener aplicaciones para trajes para actividades especiales como la aeronáutica, bomberos, y otro tipo de uniformes así como otros campos de la industria textil especializada. Hasta ahora, los diseños existentes han incorporado SMA solamente para los efectos cinéticos estéticos, lo que lleva a las funciones limitadas, problemas con la facilidad de uso, y los diseños anormales.

Este proyecto ya cuenta con una investigación preliminar en el que se ha desarrollado

una

chaqueta

transformable

para

las

personas

con

discapacidades de movimiento utilizando técnicas de origami, la aleación con memoria de forma, y patronaje y costura especial. (MediaLab Prado, 2016) extraído

de

https://www.medialab-prado.es/convocatorias/e-fold-wearable-e-

textiles-con-aleacion-con-memoria-de-forma-convocatoria-para

50

Ilustración 21. Camisa autoajustable para personas con discapacidad motriz (extraído de https://www.medialab-prado.es/convocatorias/e-fold-wearable-e-textiles-con-aleacion-conmemoria-de-forma-convocatoria-para)

IMPACTO AMBIENTAL MATERIALES INTELIGENTES Aprovechando la capacidad de los materiales inteligentes de sensorizar y responder a cambios en el ambiente de forma controlada y reproducible, se pueden obtener aplicaciones interesantes para el medio ambiente. Los cambios se pueden manifestar respecto a la temperatura, campo eléctrico, presión, sonido e iluminación. Los estímulos químicos como cambios en pH o la presencia de algunas sustancias peligrosas pueden ser detectadas por polímeros, pudiéndose diseñar sistemas que lo hagan de forma adecuada para la eliminación del riesgo medioambiental asociado. Existe un número significativo de publicaciones referentes al diseño de materiales inteligentes poliméricos y biopoliméricos para su uso como catalizadores, sensores, descontaminantes y otros. La mayoría de las

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aplicaciones de los materiales inteligentes poliméricos se pueden considerar medioambientalmente importantes desde la detección, prevención y hasta la eliminación de las sustancias dañinas en el medioambiente. (Ministerio de ciencia e innovacion de España, Fundacion Española para la ciencia y tecnología, Fundacion OPTI;, 2011) extraído de https://icono.fecyt.es/sites/default/files/filepublicaciones/materialesinteligentes.p df

PROSPECTIVA DE LOS MATERIALES INTELIGENTES Se espera que la utilización de materiales inteligentes en el sector de la salud provoque importantes avances en cuanto al diagnóstico de enfermedades y, en algunos casos, también en el tratamiento de las mismas. Sin embargo, ha de contemplarse en cada caso el coste asociado al desarrollo y comercialización del producto, puesto que las barreras identificadas por los expertos se refieren principalmente a la baja competitividad del tejido industrial español frente a los países, en los que se ubican los centros de I+D de las grandes empresas farmacéuticas. El análisis de patentes realizado al comienzo del estudio ya confirmó que el grueso de conocimiento sobre materiales inteligentes en fase comercial – y la propiedad intelectual – se encuentra en Alemania y Estados Unidos, mientras, en España, sólo se pudieron identificar unas pocas patentes, siendo los propietarios generalmente universidades. La gran versatilidad de los materiales inteligentes y el hecho de que se encuentran embebidos en microsistemas abre, no obstante, muchas oportunidades en nichos concretos del mercado, especialmente para

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materiales orgánicos que están menos expuestas al riesgo de la creciente escasez y aumento del precio al que se enfrentan muchos metales. Una debilidad general que se ha identificado en los paneles de expertos y en la encuesta on-line es el hecho de que en muy pocos casos los desarrollos basados en materiales inteligentes en los sectores de transporte, energía y medio ambiente acaban beneficiando al usuario final de una aplicación o de un producto. Sin embargo, su potencial para mejorar y abaratar procesos en la industrias como la aeronáutica o la del automóvil parece alto. Un reto especial al que se enfrentan muchos de los materiales evaluados en este estudio son las dificultades de reciclaje, que, a priori, pueden no parecer tan relevantes en aplicaciones a micro-escala, pero pueden llegar a serlo en caso de que se utilicen materiales escasos en aplicaciones destinadas de alto consumo . Ha de prestarse también atención a los posibles riesgos de salud laboral asociados a la manipulación de algunos de los materiales novedosos que contengan quantum dots o plomo, aunque se trata de riesgos que pueden controlarse con los protocolos adecuados. Los materiales más prometedores para cada sector deberían ser objeto de estudios específicos para identificar nichos de mercados concretos en los que la posición competitiva de las empresas sea aceptable y las expectativas para una rápida comercialización de la nueva tecnología sean positivas. (Ministerio de ciencia e innovacion de España, Fundacion Española para la ciencia y tecnología, Fundacion OPTI;, 2011) extraído de http://cienciacatalisislibre.blogspot.com/2011/01/materiales-inteligentes.html

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DESASRROLLO ECONÓMICO DE MATERIALES INTELIGENTES EN COLOMBIA El desarrollo de materiales inteligentes en Colombia es reducido debido a que la inversión de investigación es escasa en comparación a países desarrollados como China, Estados Unidos y Alemania los cuales tienen el mayor registro de patentes en este aspecto a nivel mundial, aun así existen proyectos investigativos de instituciones universitarias y de la Cámara de Comercio de Bogotá (CCB) que podrían hacer que la inversión en investigación en materiales inteligentes a futuro pueda incrementarse. Un ejemplo es el proyecto de un grupo de investigadores de materiales y procesos de la Sede Medellín de la Universidad Nacional de Colombia que desarrollaron un cemento recubierto con nanopartículas, que reacciona con cualquier fuente de luz y queda libre de suciedad y bacterias. Producto que se espera pueda llegar a lugares donde el nivel de asepsia debe ser máximo: hospitales e industrias de alimentos. (El Colombiano, 2015) extraído de https://www.elcolombiano.com/perspectivas-de-la-construccion/crear-conmaterial-inteligente-JI2192496 Además en Bogotá también se han estado llevando a cabo proyectos que estimulan la investigación de estos materiales por iniciativa de la CCB que fue la creación de un Centro de Materiales Avanzados, el cual ha estado operando desde la Universidad Tadeo Lozano. Su investigación tiene el objetivo principal de producir telas inteligentes y ayudar a la industria textil colombiana para competir con el mercado asiático presente en nuestro país. La más reciente investigación de este centro es eldesarrollo un biopolímero con una nanocapa de titanio que le permite al material repeler el agua. El biopolímero fue

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empleado en la confección de zapatos y accesorios. Sin embargo, sus usos pueden abarcar la medicina y la electrónica. (Camacho, 2018) extraído de https://www.utadeo.edu.co/es/noticia/destacadas/expeditio/264566/prendasque-no-se-mojan-en-utadeo-desarrollan-material-avanzado-partir-demicroorganismos-y CONCLUSIONES Todos nosotros reaccionamos ante el mundo que nos rodea como “sensores” cuando oímos, vemos o sentimos, y como “actuadores” cuando reaccionamos a esos estímulos. Con el devenir de los años, la investigación ha tomado el camino de intentar dotar de una capacidad de reacción similar a los materiales, convirtiéndolos en “inteligentes”. Los materiales inteligentes son aquellos que manifiestan un cambio en sus propiedades o en su forma como respuesta a los estímulos del entorno en el que se encuentran. Estos interesantes materiales tienen y tendrán un gran impacto en sectores como el transporte, las comunicaciones, la medicina, la biotecnología, las ciencias de la salud o la energía. La gran importancia que presentan estos materiales se refleja en el incremento en el número de patentes y publicaciones que se han presentado en los últimos años. El número de publicaciones en torno a los materiales inteligentes ha crecido de manera exponencial. Otra medida del interés mundial que suscitan estos materiales es el creciente incremento de las patentes concedidas en el marco de los materiales y los sistemas inteligentes. En la siguiente tabla se puede observar un resumen de la aplicación que tienen los materiales inteligentes por sectores económicos.

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Ilustración 102. Tabla de aplicacion de materiales inteligentes por sector económico (extraido de http://cienciacatalisislibre.blogspot.com/2011/01/materiales-inteligentes.html)

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