INSTITUTO TECNOLÓGICO DEL CHIHUAHUA
Asignatura: Tecnología de los Materiales
Carrera: Electromecánica
Docente: Ing. José Esparza Elizalde
Alumno: Diana Marcela Estrada Aragón
Título del trabajo: Materiales Avanzados
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Investigación de materiales avanzados, Guías, Proyectos, Investigaciones de Tecnología de Materiales
Esta investigación cuenta descripciones sobre los materiales avanzados y su aplicación en la vida cotidiana
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
2019/2020
1 / 21
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INSTITUTO TECNOLÓGICO DEL CHIHUAHUA
Asignatura: Tecnología de los Materiales Carrera: Electromecánica Docente: Ing. José Esparza Elizalde Alumno: Diana Marcela Estrada Aragón Título del trabajo: Materiales Avanzados
INDICE
- Introducción
- Objetivo
- Generalidades de los Materiales Avanzados
- Semiconductores
- Biomateriales
- Materiales Inteligentes
- Materiales de Nanoingeniería
- Conclusiones
- Fuentes de Información
OBJETIVO
Conocer el grado de importancia de los materiales avanzados, sus características generales, funciones, propiedades, condiciones aptas para su empleo y aplicaciones. GENERALIDADES DE LOS MATERIALES AVANZADOS Javier Peña, director general y director científico de Elisava Escola Superior de Disseny i Enginyeria de Barcelona presentó en la Universidad de los Andes la conferencia “Materiales avanzados para un cambio de paradigma” donde comenzó con una pequeña reflexión que mencionaba que cómo es posible que se consideren conocimientos básicos los números, las letras, el lenguaje musical pero no el lenguaje de la materia, si todo y todos somos materia. Los materiales avanzados suponen un cambio de paradigma y de la forma de pensar. Suponen una aproximación real a una nueva escala donde materia, energía y forma, dan
sentido y coherencia a lo que llamamos proyecto. Una nueva escala que apuesta por la multifunción, sostenibilidad y la invisibilidad ‘visible’ de la materia física. Vivimos otro periodo histórico en el que las nuevas propiedades de los materiales abren un inimaginable abanico de posibilidades en el diseño, la arquitectura, el arte y el desarrollo de producto claramente diferenciable en el mercado y de alto valor añadido. Hemos vivido la edad de piedra, de cobre, del bronce, del hierro, del plástico y del silicio, pero es que de alguna u otra manera la influencia de los materiales es tan inmensa que deja una marca en la historia. Sin embargo, en la edad del silicio hubo un cambio significativo en la escala, ya que antes de esta etapa, el hombre interactuaba con el material de forma macroscópicamente pero el silicio provoco que la materia se pudiera utilizar microscópicamente. De esta manera revolucionamos el mundo de la electrónica, la forma en la que interactuamos con el material y el producto, y también los efectos que dicho material y producto ocasionan en el entorno. A continuación, comenzaremos hablar de algunos materiales avanzados: SEMICONDUCTORES En menos de un siglo la electrónica ha avanzado aceleradamente debido al descubrimiento de unos elementos llamados semiconductores, este tipo de materiales son la combinación ideal entre las propiedades de un elemento aislante y un conductor. Los materiales conductores son aquellos que permiten el libre flujo
libres de cada unión serán atraídos por el lado positivo del circuito y de esta forma se generará un flujo de electrones. Por otro lado, si a la misma red de silicio la dopamos con el elemento del boro, obtendremos uniones de silicio-boro, pero la regla del octeto no se cumple, porque ahora tendremos una ausencia de electrón por cada unión, provocando que los electrones estén en constante movimiento tratando de llenar ese hueco existente. Si inducimos energía se hará posible el flujo de cargas. Cuando no dopamos a un material con ninguna impureza le llamamos semiconductor intrínseco, es un semiconductor puro que en condiciones normales se comporta como un aislante. Pero cuando dopamos a la red con electrones se le conoce como semiconductor extrínseco tipo n y cuando se hace este proceso con ausencias de electrón se le conoce como un semiconductor tipo p. Los dos últimos tipos de semiconductores han apoyado a la creación de los nuevos componentes de la electrónica con los cuales se han logrado los diferentes diseños y comodidades en el mundo moderno.
Actualmente el transporte de pasajeros por medio de trenes eléctricos emplea semiconductores que convierten el voltaje de corriente directa a corriente alterna para que los motores en el sistema de tracción hagan que el tren pueda moverse. Las computadoras y pantallas de televisión emplean una gran cantidad de semiconductores, pero los más conocidos son los leds ya que son diodos emisores de luz que permiten la apreciación de las imágenes. Existen muchas aplicaciones de estos materiales como en los electrodomésticos inteligentes y la iluminación con leds de alta potencia. BIOMATERIALES Estos materiales fueron creados para propósitos industriales, pero después tuvieron aplicaciones no previstas para los seres humanos, es decir, se convirtieron en biomateriales. El concepto de estos consiste en que son materiales utilizados para objetivos médicos y diseñados para interactuar con sistemas
MATERIALES INTELIGENTES
Estos tienen la capacidad de percibir los cambios en el entorno y reaccionar a los mismos de una manera predeterminada. Son considerados materiales de última generación Los materiales inteligentes pueden: Ser duros como los piezomateriales. Flexibles como las aleaciones con memoria de forma. Suaves como los elastómeros dieléctricos.
Líquidos como ferrofluidos y fluidos electrorreológicos. Por lo tanto si necesitamos un robot que sea capaz de detectar sustancias químicas, entonces podemos construirlo con el material inteligente que le permite el cambio de las propiedades eléctricas cuando está expuesto a un determinado producto químico en cuestión y si se necesita un dispositivo robótico que se pueda implantar en una persona, que además se degrade hasta desaparecer cuando han cumplido su función, podemos crear con polímeros biodegradables, biocompatibles y selectiva de la disolución. Para determinar el grado de utilidad y eficacia que pueden brindarnos estos nuevos materiales inteligentes se puede hacer un cálculo de su coeficiente de inteligencia, la evaluación de su capacidad de respuesta, la flexibilidad y la complejidad, así que si combinamos varios materiales inteligentes dentro de un mismo robot podemos aumentar su coeficiente de inteligencia potencialmente. Además, las tecnologías robóticas de vanguardia se pueden dividir en tres grupos dependiendo de la programación que ofrecen los materiales y sistemas inteligentes de suaves hidráulicos y neumáticos; materiales inteligentes de sensores y actuadores; y materiales que cambian de rigidez. Por lo tanto, a través del uso de materiales inteligentes la robótica blanda está cobrando protagonismo gracias al renacer de los sistemas de impulso de líquido, en combinación con una mayor comprensión de simulación de materiales elastoméricos. Los científicos que se dedican a estudiar y desarrollar los nuevos materiales inteligentes, han realizado una clasificación de lo que se denominan los materiales inteligentes por su capacidad de reacción frente a determinados estímulos: Fotoluminiscentes: se denomina luminiscencia a todo proceso de emisión de luz cuyo origen no se debe exclusivamente a las altas temperaturas, sino que se trata de una forma de “luz fría” en la que la emisión de radiación lumínica se provoca en condiciones de temperatura ambiente o baja. Depende de la energía que la origina es posible hablar de distintas clases de luminiscencia: fotoluminiscencia, termoluminiscencia,
Electroreológicos y Magnetoreológicos: es el material que responden a la aplicación de un campo magnético con un cambio en su comportamiento reológico y están compuestos de partículas magnetizables finamente divididos y en suspensión en un líquido portador, como el aceite mineral, el petróleo, o sólido portador con la elasticidad suficiente para la orientación de los dipolos ante el campo magnético externo. Materiales con memoria de forma: son aquellas que tienen la capacidad de memorizar su forma y tienen la oportunidad de volver a la forma después de haber sido deformados. Este efecto de memoria se puede producir por cambio térmico o magnético y además son capaces de repetir este procedimiento a la innumerable cantidad de veces sin deterioro de la calidad. Estos materiales pueden ser de aleaciones, cerámicas, polímeros y aleaciones ferromagnéticas. Algunos materiales inteligentes son: Impresión 3D: n o cabe ninguna duda de que la impresión 3D sirve como dinamizador de todo lo relacionado con el desarrollo de nuevos materiales, especialmente por lo que es inventado una nueva forma de fabricación y haber hecho accesible los procesos de fabricación a muchas personas, lo que conduce a que cada vez sea mayor el interés para crear nuevos materiales con propiedades específicas. Para responder a esta necesidad los ingenieros del MIT han desarrollado un sistema que usa los polímeros derivados del petróleo que normalmente se usan como material para la impresión 3D de tipo de celulosa de origen vegetal que tiene muchas ventajas en comparación con el sistema tradicional. Es una alternativa renovable, biodegradable, que proporciona un material menos costoso, más duradero y además tiene propiedades antimicrobianas. Para ello se utiliza el acetato de celulosa, que permite su uso en impresoras de inyección y que al evaporarse se endurece rápidamente. De este modo se obtiene la impresión de objetos cuya dureza es muy superior a la alcanzada con la
mayoría de los materiales utilizados habitualmente en la impresión en 3D, incluyendo el ABS y PLA. Potencia: p ara la generación de energías limpias sigue siendo insuficiente para solucionar el problema en el que nos encontramos con la contaminación ambiental y el calentamiento global, podemos considerar que la situación está mejorando paulatinamente gracias a muchos de los avances que se producen en el ámbito de la investigación científica para la generación de energías renovables, principalmente para la obtención de la energía del Sol. En el caso de la labor de investigadores del Laboratorio de Caracterización de Dispositivos Orgánicos de la Universidad Rey Juan Carlos que utiliza un nuevo material llamado perovskita híbrido metilamonio con el fin de desarrollar células solares más económicas. El perovskita híbrido metilamonio tiene el 20% de la eficiencia certificada y se posiciona como una opción barata a las tecnologías existentes para la producción de células solares de lámina delgada, ya que permite el uso de técnicas de producción mucho más sencillos y a baja temperatura (< 150° C), permite nuevas aplicaciones. Los resultados de este estudio representan un importante paso adelante para la fabricación de células solares de lámina delgada, ya que en la actualidad la tecnología se basa en materiales inorgánicos como el teluro de cadmio (CdT) o selenuro cobre, indio y galio
nuevos materiales que ayuden a curar enfermedades a través de investigaciones como el diseño de piel robótica que ayude a las personas. Estos imitan las capacidades de algunos animales, como por ejemplo el poder de reunirse con el medio ambiente o de regular su temperatura corporal. Los científicos trabajan en el desarrollo de las vendas inteligentes capaces de curar las heridas y exploran también como lograr una sustitución normal de la ropa algo así como una segunda piel que se adapte al cuerpo. A través de estas innovaciones puede ayudar a las personas mayores o personas con discapacidad a recuperar la movilidad y que en el futuro todos los asientos podrán ser reemplazados por pantalones que generen el movimiento. MATERIALES DE NANOINGENIERÍA La nanoingeniería es una rama de la ingeniería que se usa la nanotecnología para diseñar productos y sistemas a nano escala. Su nombre surge del nanómetro. La nanotecnología es la manipulación de la materia a escala atómica, molecular y supramolecular. La más temprana y difundida descripción de la nanotecnología se refiere a la meta tecnológica particular de manipular en forma precisa los átomos y moléculas para la fabricación de productos a macroescala, ahora también referida como nanotecnología molecular. La nanotecnología definida por el tamaño es naturalmente un campo muy amplio, que incluye diferentes disciplinas de la ciencia tan diversas como la ciencia de superficies, química orgánica, biología molecular, física de los semiconductores, microfabricación, etc.
Las investigaciones y aplicaciones asociadas son igualmente diversas, yendo desde extensiones de la física de los dispositivos a nuevas aproximaciones completamente nuevas basadas en el autoensamblaje molecular, desde el desarrollo de nuevos materiales con dimensiones en la nanoescalas a el control directo de la materia a escala atómica. El ganador del premio Nobel de Física de 1965, Richard Feynman, fue el primero en hacer referencia a las posibilidades de la nanociencia y la nanotecnología en un discurso que dio en el Caltech (Instituto Tecnológico de California) el 29 de diciembre de 1959, titulado En el fondo hay espacio de sobra (There's Plenty of Room at the Bottom), en el que describe la posibilidad de la síntesis vía la manipulación directa de los átomos. El término "nanotecnología" fue usado por primera vez por Norio Taniguchi en el año 1974, aunque esto no es ampliamente conocido. También en el año 1986, Drexler co-fundó The Foresight Institute (en castellano: El Instituto de Estudios Prospectivos), con el cual ya no tiene relación, para ayudar a aumentar la conciencia y comprensión pública de los conceptos de la nanotecnología y sus implicaciones. Por ejemplo, la invención del microscopio de efecto túnel en el año 1981 proporcionó una visualización sin precedentes de los átomos y enlaces individuales, y fue usado exitosamente para manipular átomos individuales en el año 1989. Los desarrolladores del microscopio Gerd Binnig y Heinrich Rohrer del
Mientras tanto, la comercialización de los productos basados en los avances de las tecnologías a nanoescala comenzaron a surgir. Estos productos están limitados a aplicaciones a granel de los nanomateriales y no involucran el control atómico de la materia. Algunos ejemplos incluyen a la plataforma Nano Silver que utiliza nanopartículas de plata como un agente antibacterial, los protectores solares transparentes basados en nanopartículas y de los nanotubos de carbono para telas resistentes a las manchas. Pero estos conocimientos fueron más allá, ya que con esto se pudo modificar la estructura de las moléculas, como es el caso de los polímeros o plásticos que hoy en día encontramos en nuestros hogares. Pero hay que decir que a este tipo de moléculas se les puede considerar “grandes”. Una de las aplicaciones más notables de la nanotecnología se encuentra en el campo de la medicina debido a que son tan pequeños que pueden aniquilar las enfermedades y reparar tejidos.
CONCLUSIONES
En la época actual vivimos en la era de la nanotecnología y la explotación del silicio para elementos electrónicos. Sin embargo, el conocimiento de como utilizar los materiales avanzados a logrado un progreso significativo en la tecnología, permitiendo mejorar la calidad de vida de las personas a través los productos biocompatibles. Hemos desarrollado campos de investigación dedicados a la obtención de información de estos materiales debido a sus importantes aplicaciones. Cuando nosotros entendemos las propiedades y estructuras de los diferentes materiales abrimos una puerta con una infinidad de posibilidades de diseño para cierto proyecto. Es vital que en el perfil del ingeniero se aplique la noción del lenguaje de la materia, ya que todo es materia. FUENTES DE INFORMACIÓN Javier Peña, director general y director científico de Elisava Escola Superior de Disseny i Enginyeria de Barcelona presentó en la Universidad de los Andes la conferencia “Materiales avanzados para un cambio de paradigma”. URL: https://www.youtube.com/watch?v=nh1BoBZirMA&t=311s Entrevista a Javier Laucirica, director de Investigación de IK4 Research Alliance, sobre materiales avanzados, qué son y sus sectores de aplicación. URL: https://www.youtube.com/watch?v=sVKVB46pqeY&t=196s Video ¿Qué Son Los Materiales Avanzados? – MATERPLAT URL: https://www.youtube.com/watch?v=PL_tpBIYU3M&t=236s