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• Massiel Macías Morales

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Materiales Inteligentes y Materiales Fotoactivos

República de Panamá Universidad Tecnológica de Panamá C.R.U. Sede Azuero Facultad de Ingeniería Eléctrica Lic. En Ingienería Electromécanica Ciencias de los Materiales I Ing. Cenobio Villalobos Tema:

Materiales Inteligentes ∙ Materiales Fotoactivos Grupo: 7IE141 Integrantes: Maura Carrizo (6-721-1051) Cesar Camaño (6-721-1432) Massiel Macías (8-913-759) Keysi Rodríguez (6-720-1797) Manuel Rodríguez (6-721-1318) Año Electivo: 2019

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Introducción Los compuestos son materiales que aprovechan las propiedades de dos o más materiales (metales, cerámicos y plásticos) que, al ser combinados (insolublemente) y unidos de ciertas maneras y en proporciones adecuadas, forman un nuevo material con propiedades diferentes a las de los constituyentes. Así, pueden lograrse combinaciones de propiedades que son difíciles de obtener en materiales convencionales, tal como gran tenacidad y alta resistencia a la tracción. Generalmente, los constituyentes se combinan en dos fases tal que las debilidades de uno de ellos se compensan con las fortalezas del otro, mejorando el desempeño global. Por ejemplo, un polímero puede reforzarse con fibras de vidrio para obtener resistencia y rigidez adecuadas, manteniéndose un bajo peso (debido a su baja densidad). En esta investigación estudiaremos en especifico los materiales inteligentes y materiales fotoactivos, estudiaremos algunas de sus propiedades, funciones y aplicaciones. los materiales inteligentes son aquellos que por su microestructura pueden comportarse como sensores, actuadores y controladores. Un material inteligente es un material estructural que intrínsecamente (por su microestructura) tiene la capacidad de actuar, sentir y controlar. Similarmente, un sistema (o estructura) inteligente es un ensamble que presenta las mismas características, mediante la combinación de dos o más materiales. Los materiales fotoactivos o fotoluminicentes son aquellos que en los que se produce 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 fenomeno externos.

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Materiales Inteligentes Los materiales inteligentes, denominados también multifuncionales, son aquellos que tienen la capacidad de cambiar sus propiedades mecánicas o físicas en presencia de un estímulo concreto. Aunque todavía no existe un consenso sobre los límites exactos entre materiales inteligentes y los que no lo son, se acepta que ellos poseen ciertas características, las cuales se describen en la siguiente definición de sistema inteligente: Sistema o material que presenta sensores, ‘actuadores’ y mecanismos de control, intrínsecos o embebidos, por los cuales es capaz de sentir un estímulo, de responder ante él de una forma predeterminada en un tiempo apropiado y de volver a su estado original tan pronto como el estímulo cesa. Los materiales inteligentes más comunes pueden clasificarse en:  Materiales con memoria de forma.  Materiales electro y magnetoactivos.  Materiales foto y cromoactivos. 33 1. Materiales con memoria de forma. Los materiales con memoria de forma pueden ser: aleaciones, polímeros o cerámicas con memoria de forma y aleaciones ferromagnéticas con memoria de forma. De estos materiales, los más comunes parecen ser las aleaciones con memoria de forma (aquí se simplificará como AMF), las cuales son metales que además del efecto de memoria, tienen la propiedad de seudoelasticidad. 2. Materiales electro y magnetoactivos. Los materiales electro y magnetoactivos cambian sus propiedades físicas cuando se someten a un campo eléctrico y magnético, respectivamente. Dentro de esta clasificación están los materiales piezoeléctricos, los materiales electro y magnetoestrictivos, y los materiales electro y magnetoreológicos. 3. Materiales fotoactivos. Los materiales fotoactivos experimentan cambios de diferente tipo cuando se someten a la acción de la luz, y pueden producir luz bajo ciertos estímulos. En los cromoactivos se generan cambios de color en presencia de un estímulo externo, como por ejemplo la temperatura, la corriente eléctrica y la radiación UV. Ejemplos de materiales fotoactivos son los electroluminiscentes, fluorescentes y fosforescentes, y de materiales cromoactivos, los fotocrómicos, termocrómicos y electrocrómicos. Como anteriormente comentamos son materiales inteligentes debido a que son capaces de emitir luz ya sea por medio de impulsos eléctricos (electroluminiscentes), de manera intensificada (fluorescentes) o almacenarla hasta alejarse de la fuente de luz principal (fosforescentes). La propiedad de la fotoactividad se da a consecuencia de que los electrones de valencia son excitados a niveles más elevados por distintos estímulos, y posteriormente vuelven a caer a niveles de energías inferiores emitiendo fotones, es decir, luz. Es necesario diferenciar estos materiales de los que resultan excitados por efecto de la energía y emiten calor además de luz, y que disipan la mayor parte de su energía de excitación en forma de calor y no se consideran 2019

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materiales inteligentes. El principio básico de la fotoluminiscencia o fotoactivos es simple: los electrones que orbitan alrededor de los átomos o las moléculas absorben energía debido a la colisión con protones durante la excitación. A continuación, se emite ese exceso de energía en forma de fotones (normalmente luz visible) durante cierto tiempo. 3.1 Ventajas y desventajas. Esta tecnología ofrece ventajas como, en la energìa eléctrica al ser un radiación electromagnética una vez cargada es dificil que falle o detenida siendo así 100% fiable, La carga puede producirse con luz ambiental que existe en cualquier lugar, con la cual no es necesario el uso de una fuente de electricidad o una bateria en caso de emergencia y permite ahorrar energía. Pero de igual manera también posee desventajas entre estas podemos observar que La falta de rigidez provoca un aumento de la velocidad de conversión interna por lo que provoca el aumento en la probabilidad de desactivación no radiante. 3.2 Clasificación de los materiales fotoactivos. 3.2.1

Electroluminiscentes.

La electroluminiscencia, en términos generales, es la emisión de luz inducida por una corriente eléctrica aplicada. Los materiales electroluminiscentes, al igual que los foto-luminiscentes, incluyen tanto materiales orgánicos como inorgánicos. Muchas veces los materiales inorgánicos están hechos de una combinación de elementos de los grupos II, III, V y VI de la tabla periódica. Algunos de los materiales de base inorgánica, que han sido estudiados, incluyen los GaAs, CdS, InP y GaN. La electroluminiscencia en polímeros ha centrado la atención de los investigadores. Estos pueden ser fabricados para emitir luz roja, amarilla o azul, siendo la azul la más difícil de lograr. Algunos ejemplos de polímeros electroluminiscentes conductores o conjugados incluyen a los polialkifluoruros, poliparafenilenos (PPP), y Poli(ppiridina) (PPy). Otros polímeros electroluminiscentes incluyen politiopenos (PT) poli(fenileno vinileno) (PPV), poli(p-fenileno), y polifluorenos. Los politiopenos y los PPVs pueden mostrar electroluminiscencia desde el azul al casi infra- rojo, dependiendo en el grupo lateral. Los copolímeros con un segmento electroactivo de poly(p-phenylene benzobisthiazole) (PBZT) muestran fotoluminiscencia con longitudes desde el azul al rojo en el espectro visible. En general los poliquinolinos conjugados pueden ser modificados para emitir luz con una longitud de onda en cualquier lugar del espectro visible.

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Ilustración 3. Cables EL

Ilustración 2. Paneles

Ilustración 1. OLED's 2019

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3.2.1.1. Ventajas y desventajas.      

Bajo consumo de corriente. Vida larga, hasta de 50,000 horas. Regulación propia, por lo que no se requiere un circuito de control. Emisión de luz omnidireccional. Opera en un rango de temperatura amplio, desde -60°C hasta 90°C. Pueden usarse en exteriores.

Por otra parte, las desventajas son:    

3.2.2

Emisión de luz limitada. No hay una gran variedad de colores. Poca eficiencia, alrededor de 2 a 6 lumens por watt (dado que la luz no es muy intensa, la potencia eléctrica suele también ser baja) Se requieren altos voltajes.

Fluorescentes.

Los materiales fluorescentes producen luz visible o invisible como resultado de una luz incidente de longitud de onda corta (rayos X, rayos UV). Son blancos o de color claro a la luz del día, en cambio irradian un intensivo color fluorescente cuando se les expone a una radiación UV, el efecto cesa tan pronto como desaparece la fuente de excitación. La fluorescencia es un proceso de emisión en el cual las moléculas son excitadas por la absorción de radiación electromagnética. Las especies excitadas se relajan al estado fundamental, liberando su exceso de energía en forma de fotones.

Ilustración 6. Pigmento Flourescente.

Ilustración 5. Chaleco Flourescente

Ilustración 4. Cinta Adhesiva Fluorescente y Reflectante Direccional.

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3.2.3

Fosforescentes.

Los materiales y productos fosforescentes, luminiscentes o resplandecientes, producen luz visible o invisible como resultado de una luz incidente de pequeña longitud de onda, detectable después de que la fuente de excitación ha sido eliminada, esta es su principal diferencia frente a los materiales fluorescentes. Es decir que los productos fosforescentes son visibles en la oscuridad.  Con base de Zinc: Es el más común en la fabricación de fósforos. En la naturaleza, si es pura es transparente, aunque suele ser negruzca debido a adiciones de plomo o hierro. Dependiendo del compuesto al que se unan, emiten luz de un color diferente: 

ZnS: [Zn] Sulfuro de Zinc dopao con cinc. Color de emisión azul claro. ZnS: [Ag] Sulfuro de Zinc dopado con plata. Color de emisión azul oscuro. Es muty similar al dopado con zinc pero es más eficiente. ZnS: [Cu] Sulfuro de Zinc dopado con cobre. Color de emisión verde. Sólo contener un 0.001% de dopación en cobre ya es Ilustración 7. con base en Zn fosforescente, y es el más usado en los rayos catódicos de los osciloscopios. ZnS: [Mn] Sulfuro de Zinc dopado con manganeso. Color de emisión RojoAnaranjado. Tiene el índice de emisión más alto de los sulfuros de Zinc.

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Fósoforos basados en Óxido de Zinc: Es parecido al ulufuro de Zinc en aplicación, pero es de pero calidad y de más fácil obtención. Algunos ejemplos son: 

ZnO: [Zn] Óxido de Zinc dopado con Zinc. Color de emisión verde militar.  ZnO: [Cu] Óxido de Zinc dopado con Cobre. Color de emisión verde militar. Ilustración 8. Fosforos basados en ZnO

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Wolframatos: Se suele encontrar de forma abundante en la naturaleza, y puede formar tres compuestos fosforescentes diferentes según el tipo de wolframato y la dopación. En España abundaban en Cáceres y Badajoz, y se usaban como mina de Wolframio. Algunos ejemplos son:

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Wolframato de Calcio. CaWO4 .Color de emisión azul violáceo. Wolframato de Calcio dopado con plomo. CaWO4:[Pb]. Color de emisión azul oscuro. Se obtiene de igual forma que el wolframato de calcio, pero solamente con añadirle un 0.005% de plomo se aumenta un 50% su emisión luminosa. Wolframato de Magnesio. MgWO4 .Color de emisión azul blanquecino. Es el que posee una mayor eficacia cuántica (relación entre la recepción y la emisión de radiación) de todos los materiales fosforescentes mencionados.

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Ilustración 10. Casco Fosforecente

Ilustración 9. Fosoforos formado por CaWO.

Ilustración 11. Aglomerados luminiscentes

Ilustración 12. Adhesivos luminiscentes - fosforescentes para impresión

3.2.3.1 Ventajas y desventajas. 

Están compuestos principalmente por fósforo; fue empleada por Roentgen en el descubrimiento de los rayos X y también por muchos investigadores a principios del siglo XX. Hoy esta sustancia no se emplea, porque es muy toxica muy cara y muy poco eficiente.  Sustancias como el sulfuro de zinc con pequeñas impurezas son mucho más baratas, más luminosas y más seguras.  La mayor parte de estas sustancias tienen una formula química definida que no es fosforescente hasta que no se le incorpore en su estructura pequeñas cantidades de otras sustancias llamadas activadores.

3.2.4

Reflectantes. Los productos reflectantes se caracterizan en que reflejan la luz al ser iluminados. Un sistema fotoluminiscente difiere de un sistema reflectante en que en este último los materiales necesitan ser iluminados para generar la reflexión. 2019

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Si nuestro ojo percibe los objetos no es gracias a la luz que los ilumina, sino a la que reflejan y es devuelta a los ojos. Cuanto mayor sea la porción de luz devuelta mayor será la intensidad con la que percibamos el objeto. La luz se refleja en multitud de direcciones debido al efecto que generan las microrugosidades de la superficie, lo que produce una reflexión difusa. Sin embargo, en los materiales llamados retrorreflectantes, gracias a sus propiedades ópticas, la mayor parte de la luz que incide es devuelta en la misma dirección de procedencia.

Por ello, estos materiales aparecen especialmente brillantes en condiciones de baja iluminación ambiental cuando son iluminados por una fuente procedente de un punto alineado con los ojos del observador. Este es el caso que se produce en la conducción nocturna cuando la luz emitida por los faros incide sobre un material de esta naturaleza.

Ilustración 14. Ropa Reflectante Ilustración 13. cinta reflectante.

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Conclusión

Los compuestos inteligentes tienen la capacidad de sentir, actuar y controlar. Con éstos 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. Las investigaciones actuales están aportando mejoras en las propiedades, modelado y manufactura de los compuestos inteligentes. Sin embargo, la investigación en estos materiales está en sus comienzos, y queda mucho por hacer para que esta tecnología pueda ser aplicada adecuadamente en un amplio rango de estructuras reales.

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