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Caracteristicas y propiedades de los materiales
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UNIDAD III
Trabajo de Consulta “Propiedades de los Materiales”.
Alejandro Lara León 13060936
Catedrático: Ing. Rodolfo Rodríguez
Física del Estado Solido
1
Introducción
¿Por qué un material conduce electricidad? , ¿Porque uno lo hace más rápido que el otro? ¿Qué es
lo que le da color a las cosas?, cuestiones que probablemente siempre existirán, En la presente
investigación se abordara y analizaran las propiedades de los materiales, que los hacen lo que son,
los hacen útiles, o simplemente describen el porqué de las cosas.
Es Importante conocer estas propiedades ya que para seleccionar y utilizar con eficacia el material,
para aplicaciones: electrónicas, ópticas, eléctricas, térmicas, etc., primero se debe comprender la
forma en que se pueden controlar las propiedades y su comportamiento en diferentes variables, en
contextos o dentro de los mismos ¿Qué es lo que está pasando? Para que el conocimiento de dichas
propiedades sea optimo y se vea reflejado en su buen uso en el área de la ingeniería.
Como se ha visto, el mundo de los materiales es diverso, y cada uno tiene diferentes cualidades que
lo hacen importante como por ejemplo La transparencia en los materiales consiste en la facilidad que
tienen estos para dejar pasar la luz a través de ellos, y en consecuencia hace que el espectador vea
algún color en el material.
Aparte la propiedad citada anteriormente, existen un sinfín que en los próximos apartados, serán
abordados, para que una mejor compresión y conocimiento en la formación profesional.
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Contenido Introducción ....................................................................................................................................................................... 1
1) Propiedades Ópticas ................................................................................................................................................ 3
1.1) Emisión de Radiación y Características .......................................................................................................... 3
1.2) Fenómenos de Emisión ........................................................................................................................................ 5
1.3) Interacción fotónica con los materiales. ..................................................................................................... 12
Los colores de las cosas ............................................................................................................................................... 18
2.1) Capacidad Térmica ................................................................................................................................................. 19
2.2) Dilatación (Expansión) térmica ......................................................................................................................... 20
2.3) Conductividad Térmica. ....................................................................................................................................... 22
3) Materiales Superconductores ......................................................................................................................... 25
3.1) Propiedades y Aplicaciones de la Superconductividad en Materiales. ................................................ 26
3.2) Estado Actual de Los Superconductores. ....................................................................................................... 29
3.3) Situación Económica de los Superconductores. ........................................................................................... 33
Conclusión ......................................................................................................................................................................... 35
3
1) Propiedades Ópticas
Todos los materiales interactúan con la luz de alguna manera, los fotones son los responsables de varios
fenómenos ópticos donde interactúan con la estructura electrónica o cristalina de un material.
La Luz es energía o radiación, en forma de ondas o partículas llamadas fotones que pueden ser emitidos por
un material, Las Propiedades Ópticas de los Materiales están relacionadas con la interacción entre el material
y las radiaciones electromagnéticas en forma de ondas o partículas de energías conocidas como fotones.
Las propiedades ópticas de los materiales desempeñan un papel importante en gran parte de la alta
tecnología de la actualidad, tal es el caso de la fibra de vidrio, rayos x, entre otros que se verán examinados
en este apartado.
1.1) Emisión de Radiación y Características
El término radiación se refiere a la emisión continua de energía desde la superficie de cualquier cuerpo, esta
energía se denomina radiante y es transportada por las ondas electromagnéticas que viajan en el vacío a la
velocidad de 3·108 m/s. Las ondas de radio, las radiaciones infrarrojas, la luz visible, la luz ultravioleta, los
rayos X y los rayos gamma, constituyen las distintas regiones del espectro electromagnético.
La radiación puede tener características que caigan en el espectro de la luz visible o pueden resultar invisibles
para el ojo humano, por ejemplo: La Luz visible es una forma de radiación electromagnética, con longitudes de
onda que se extienden desde 0.40 a 0.75 micrómetros, la luz visible contiene bandas de colores que van
desde el violeta al rojo, La región ultra violeta cubre un intervalo desde casi 0.01 hasta alrededor de 0.40
micrómetros, la región infrarroja se extiende desde más o menos 0.75 hasta 1000 micrómetros.
En el espectro de la radiación eléctrica, los rayos gamma y los rayos x tienen una longitud de onda muy corta,
es decir alta frecuencia y poseen de energía muy elevada; las microondas y las ondas de radio poseen
energías muy reducidas; la luz visible presenta solo una porción muy angosta del espectro electromagnético.
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La emisión continúa, presenta diferentes características, de las cuales, se definen:
Emisión de cuerpo negro
Un cuerpo negro ideal absorbe toda la energía electromagnética que recibe (por eso se dice que es negro) y,
por estar en equilibrio térmico, reemite toda la energía absorbida. Esta emisión depende exclusivamente de la
temperatura del cuerpo,
Si el máximo de la radiación depende únicamente de la temperatura del cuerpo, tendremos que los objetos,
dependiendo de su temperatura, emitirán fundamentalmente en unas regiones u otras del espectro
electromagnético.
A continuación se muestra una tabla en la que se indica la temperatura necesaria para que un cuerpo emita
su intensidad máxima en un determinado rango y el tipo de cuerpos que presentan esa temperatura.
5
Emisión continúa en gases ionizados
Los gases ionizados o plasmas también emiten radiación térmica continua sin que, en muchos casos, llegue a
ser emisión de cuerpo negro. Se dice que un gas está ionizado cuando una gran parte de sus átomos han
perdido uno o varios electrones, quedando, por tanto, cargados positivamente y dejando libres esos
electrones que han perdido.
Las características de importancia de los fotones se definen gracias a la ecuación de
Planck; Su energía, longitud de onda, frecuencia se relacionan mediante la siguiente
ecuación:
Esta ecuación nos permite pensar en el fotón ya sea como una partícula de energía E, o como onda con
longitud de onda y frecuencia.
1.2) Fenómenos de Emisión
Existen dos vertientes las cuales se pueden analizar de una manera más práctica las propiedades ópticas de
los materiales: emisión de fotones de los materiales e interacción de fotones con los materiales. Primero se
analizaran las emisiones de fotones.
a) Rayos Gama
Fenómenos producidos debido a interacciones nucleares.
Los rayos Gama, son fotones de muy alta energía, emitidos durante la
descomposición radioactiva de los núcleos inestables de los átomos, la energía
de los rayos gama depende de la estructura del núcleo atómico y varia de un
material a otro, por ejemplo cuando se descompone el cobalto 60, se emiten
rayos gama con energías de 1.17x106 eV y de 1.13x106 longitudes de onda.
Los rayos gama pueden utilizarse como fuente de radiación para detectar fallas
que ocurren dentro de un material.
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b) Rayos X
Fenómeno producido debido a las interacciones de las capas internas de los electrones.
Tienen una energía menor a los rayos gama, se producen al estimular los electrones de las capas internas de
un átomo, el estímulo puede ser de electrones de alta energía u otros rayos X, al ocurrir la estimulación se
emiten los rayos X, produciendo un espectro continúo y
uno característico de los rayos X.
Suponga que un electrón de alta energía choca contra un
material, conforme el electrón se desacelera, se libera,
energía y se emite en forma de fotones, cada vez que un
electrón choca con un átomo, cede una parte de mayor
de su energía, cada intersección puede ser más o
menos severa, por lo que el electrón va cediendo una
fracción distinta de su energía cada vez y produce
fotones de longitudes de onda diferentes, produciendo un espectro continuo.
En caso de que el electrón perdiera toda su energía en un solo impacto, la longitud de onda mínima de los
fotones emitidos sería equivalente a la energía original del estímulo, este estimulo incidente puede tener
suficiente energía para excitar un electrón de una capa interna hacia una capa externa de energía, el electrón
no excitado no es estable y, para recuperar el equilibrio, el nivel energético interior se llena con electrones de
un nivel superior, en este proceso se lleva a cabo la emisión de un espectro característico.
El color en un material resulta de la combinación de
longitudes de onda transmitidas.
Cada elemento produce un espectro característico,
diferente que nos sirve como huella dactilar, para
dicho tipo de átomo, si se hacen coincidir las
longitudes de onda características emitidas con las esperadas para diversos elementos, se puede determinar
la identidad del material.
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c) Luminiscencia
Fenómeno que sucede debido a la interacción de las capas externas de los electrones, es la conversión de
radiaciones y otras formas de energía en luz visible, ocurre cuando una radiación incidente excita electrones
de la banda de valencia para pasar a través de la brecha de energía y llegar a la banda de conducción, los
electrones excitados se quedan solo brevemente en los niveles superiores de energía, cuando regresan a la
banda de valencia, emiten fotones. si la longitud de onda de estos fotones está en el espectro de luz visible,
se presenta la luminiscencia.
La luminiscencia no se presenta en los metales, simplemente en los electrones son excitados a niveles más
altos de energía dentro de la banda de valencias, no enteramente ocupada y cuando estos regresan al nivel
inferior, el fotón producido tiene una energía muy reducida y una longitud de onda superior a la luz visible.
En ciertos materiales cerámicos y semiconductores, la brecha de energía entre la banda de valencias y
conducción es tal que un electrón que pase a través de la misma producirá un fotón en el rango visible del
espectro, en estos materiales luminiscentes, se observan dos efectos diferentes: la fluorescencia y
fosforescencia.
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Fluorescencia: todos los electrones excitados vuelven a la banda de valencias, emitiendo fotones
correspondientes, después de un muy breve lapso de tiempo (si la emisión dura menos de un segundo),
después de haber desaparecido el estímulo, predomina una longitud de onda que corresponde a la brecha de
energía, en muchas técnicas avanzadas en bioquímica y en ingeniería biomédica, se utilizan tintes
fluorescentes y microscopia fluorescente,
En una lámpara fluorescente, la fotoluminiscencia convierte la radiación UV, de un arco de mercurio de baja
presión en luz visible, utilizando un halo fosfato de
fosforo, se usa como huésped en la mayoría de las
lámparas, los iones de antimonio proporcionan una
emisión azul y los iones de manganeso, una banda
de emisión naranja-roja, variando estos iones, es
posible obtener tonalidades de luz azul, naranja y
blanca,
La luz UV, de alta energía de los átomos, de mercurio excitados ocasiona que la pared interior recubierta de
fosforo del tubo de la lámpara, emita luz visible de longitud de onda más larga y energía menor.
Fosforescencia: estos materiales, contienen impurezas que introducen un nivel donante dentro de la brecha
de energía, los electrones excitados bajan primero al nivel donante y quedan atrapados, los electrones deben
entonces escapar de la trampa antes de volver a la banda de valencias, existen un retardo antes de que se
emitan los fotones, cuando se elimina la fuente, los
electrones en las trampas se van escapando
gradualmente y emiten luz, durante un periodo
adicional de tiempo.
En la televisión a color se utilizan tres tipos de
materiales fosforescentes; se diseñan las brechas de
energía de manera que se produzcan los colores
rojo, verde y azul, las pantallas de los osciloscopios y del radar se basan en este mismo principio.
El interior del vidrio en las lámparas fluorescentes, está recubierto con material fosforescente, su papel es
convertir la pequeña longitud de onda de las radiaciones ultra violeta.
Este tipo de luminiscencia también es llamado catodolumisencia, ya que se genera por un haz de electrones
de gran energía.
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Electroluminiscencia:
Puede utilizarse ventajosamente para crear diodos emisores de luz (LED), estos utilizándose para tableros y
caratulas de relojes, pulseras, calculadoras y un sinfín de dispositivos electrónicos, el estímulo para estos
dispositivos es un voltaje aplicado externamente que causa transiciones de los electrones y
electroluminiscencia, los LED son dispositivos de unión p-n diseñados de forma en que el valor de la energía,
aparece en el espectro visible, un voltaje aplicado al diodo en la dirección de polarización directa, hace que los
huecos y electrones se recombinen en la unión y emitan fotones, el color característico de un LED depende
del material semiconductor que se utilice.
d) Rayos Láser.
Es una aplicación de la luminiscencia, en este caso ocurre una amplificación de la misma, por sus siglas en
ingles Laser (Light, Amplification by Stimulated emission of radiation). En ciertos materiales, los electrones
excitados por un estímulo, producen fotones que, a su vez, excitan fotones adicionales de idéntica longitud de
onda, en consecuencia, ocurre una gran amplificación de los fotones emitidos en el material, mediante una
selección adecuada del estimulante y del material, la longitud de onda de los fotones puede resultar en el
rango visible, la salida del láser es un haz de fotones que están paralelos y de la misma longitud de onda y,
por tanto son coherentes, en un haz coherente, la naturaleza ondulatoria de los fotones está en fase, por lo
que no ocurre una interferencia destructiva.
Los laser son útiles en el tratamiento térmico y en la fusión de metales, en la soldadura, cirugía, mapeo,
procesamiento de información, lectura de discos compactos utilizados para producir grabaciones de estéreo
libres de ruido.
Hay muchos tipos de laser; gas, líquido y solidos utilizados en la tecnología moderna, de los cuales se
describen algunos:
Láser de rubí: la estructura y funcionamiento del láser de rubí, no se usa mucho en la actualidad, por las
dificultades que existen en las barras de cristal.
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Láser de Neodimio YAG: se construye combinando una parte por cien de átomos de Nd en un cristal
huésped de YAG. este laser emite en el cercano infrarrojo a una longitud de onda de 1.06 micrómetros,
con potencia continua hasta de casi 250 W, y con potencia alta. este material tiene como ventaja una alta
conductividad térmica para eliminar el calor de exceso, en el procesamiento de materiales, este láser se
utiliza para soldadura, perforación, grabado y corte.
Láser de dióxido de Carbono: Los láser de dióxido de carbono, son algunos de los mas poderosos, operan
principalmente por el infrarrojo medio por medio de colisiones de electrones que excitan a moléculas de
nitrógeno hasta niveles de energía meta estables que después transfieren su energía para excitar a las
moléculas de CO2, las cuales a su vez emiten radiación laser al descender a niveles de energía inferiores.
Se utilizan para el procesamiento térmico de aceros, especialmente.
Láser semiconductor: Comúnmente son del
tamaño de un grano de sal, consisten en una
unión pn elaborada con un semiconductor
compuesto como el GaAs, que tiene una
brecha de banda suficientemente grande para
la acción del láser, en un principio este láser
se fabricó como un láser de homounion con
una sola unión pn, la cavidad resonante del
láser se crea hendiendo el cristal para formar las dos facetas extremas, el Láser del diodo alcanza la
inversión de población mediante una intensa polarización directa generando un gran número de pares
electrón-hueco y muchos de estos recombinándose para emitir fotones de luz.
Láser de Heterounion doble (HD) Se consiguió una mejor eficiencia en un láser HD de GaAs, las capas
de AlGaAs tienen brechas de banda más anchas y menores índices de refracción y por ellos restringen el
movimiento de la luz del láser a una guía de onda mínima, actualmente su aplicación más difundida de los
láser de diodo es para los discos compactos.
e) Fotoconductividad.
Como consecuencia de transiciones electrónicas inducidas por fotones en las cuales se absorbe luz, se
pueden generar transportadores de cargas adicionales, este incremento de conductividad se denomina
fotoconductividad, cuando se ilumina una muestra de material foto conductiva, esta aumenta.
Este fenómeno se utiliza en los fotómetros fotográficos, se mide la corriente foto inducida ya que su magnitud
es función directa de la intensidad de la luz incidente o de la velocidad a la que los fotones de la luz golpean el
material.
La radiación de luz visible debe inducir transiciones electrónicas en el material semi conductor; el sulfuro de
cadmio se utiliza en los fotómetros.
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f) Emisión Térmica.
Cuando se calienta un material, los electrones se excitan térmicamente a niveles superiores de energía, en
particular en los niveles de energía externos, donde los electrones están menos unido al núcleo, los
electrones vuelven de inmediato a sus niveles normales y emiten fotones, un suceso que se conoce como
emisión térmica.
conforme aumenta la temperatura, la agitación térmica se incrementa y aumenta también la energía máxima
de los fotones emitidos, se emite un espectro continuo de radiación con una longitud de onda y una
distribución de intensidad mínimas que depende de la temperatura, longitud de onda y una distribución de
intensidad mínimas.
Los fotones pueden incluir longitudes de onda del espectro visible; en consecuencia, el color del material
cambia con la temperatura. A bajas temperaturas, la longitud de onda de la radiación es demasiado larga para
ser visible. Conforme se incrementa la
temperatura, los fotones emitidos tienen
longitudes de onda más cortas a 700°C,
empezamos a detectar un color rojizo; a
1500°C, se emiten las longitudes de onda
naranja y rojo. Temperaturas aún mayores
producen todas las longitudes del rango
visible, y el espectro emitido es la luz
blanca, midiendo la intensidad de una
angosta banda de las longitudes emitidas
utilizando un pirómetro, podemos estimar
la temperatura del material.
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1.3) Interacción fotónica con los materiales.
Cuando los fotones interactúan con un material, se pueden producir diversos efectos, incluyendo la absorción,
transmisión, reflexión, dispersión, refracción y generación de voltaje.
El examinar estos fenómenos nos permite además de conocer mejor el comportamiento de los materiales,
poder utilizarlos para producir aeronaves, láser para usos médicos, fibras ópticas, celdas solares e
instrumentos analíticos para determinar la estructura cristalina de los materiales.
a) Absorción.
Si los fotones que arriban interactúan con los electrones de valencia, pueden ocurrir varias cosas. Los
Fotones pueden ceder su energía al material, ocurriendo una absorción.
Aquella porción del rayo incidente que no sea reflejada por el material, será absorbida o transmitida a través
del mismo, la fracción del rayo que es absorbida se relaciona con el espesor del material y con la forma en
que los fotones interactúan con la estructura del mismo. Este fenómeno puede describirse mediante la Ley de
Bouguer.
La absorción se presenta en los materiales, a través de diferentes mecanismos.
En la dispersión de Rayleigh, el fotón interactúa con
los electrones, girando en su órbita alrededor de un
átomo y es desviado sin ningún cambio en su
energía fotónica; este resultado es más significativo
para átomos de numero atómico elevado y energías
fotónica bajas. El color azul de la luz solar, se
dispersa más que los demás colores del espectro
visible y con ello el cielo se ve azul.
En el Efecto Tyndall, es el caso para partículas mucho más grandes
que la longitud de onda de la luz; este tipo de dispersión es la razón por la
cual las nubes se ven blancas.
Dispersión de Compton En este caso hace que el electrón sea expulsado del átomo y como consecuencia,
consuma parte de la energía del fotón. de nuevo, cuanto más alto sea el número atómico y menores sean
las energías fotónica se presentara mayor dispersión.
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Efecto Fotoeléctrico. Ocurre cuando la energía del fotón se consume al romper la unión entre el electrón y
su núcleo, conforme se incremente la energía del fotón, ocurrirá menos absorción hasta el punto en que el
fotón tenga una energía igual a la de la energía igual a la de la energía de enlace.
b) Reflexión
Cuando un rayo de fotones choca contra un material, los fotones interactúan con los electrones de valencia y
ceden su energía. En los Metales, las bandas de valencia no están llenas y la radiación de casi cualquier
longitud de onda excita a los electrones haciéndolos saltar a niveles más elevados de energía. Se esperaría
que, si se absorben los fotones totalmente, no se reflejaría
ninguna luz y el metal se vería negro, sin embargo, en el
aluminio o en la plata, al regresar los electrones excitados a sus
niveles de energía inferiores, se vuelven a emitir de manera
inmediata fotones de longitud de onda prácticamente idéntica,
esto significa que tiene lugar la reflexión, Dado que se refleja,
virtualmente la totalidad del espectro visible, los metales tienen
un color blanco o plateado.
La reflectividad muestra, la fracción de rayo incidente que se refleja y está relacionada con el índice de
refracción del material, dependiendo del ángulo de incidencia, en los metales la reflectividad se acerca a 0.05,
la elevada reflectividad de los metales es razón por la cual se pueden ver opacos.
Existen muchas aplicaciones en las cuales deseamos que los materiales tengan una muy buena reflectividad,
entre ellos se deben mencionar espejos y cientos de tipos de recubrimientos para los vidrios, también deben
diseñarse de tal manera que reflejen gran parte del espectro electromagnético.
Estos recubrimientos se conocen como anti reflejantes; se utilizan en vidrios, espejos retrovisores en los
autos, en ventanas, para que el usuario pueda ver a través del vidrio sin que parezca su propio reflejo.
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c) Refracción
Al transmitir un fotón, este causa polarización de los electrones en el material y, al interactuar con el material
polarizado, pierde parte de su energía, se puede relacionar la velocidad de la luz, con la facilidad con la cual
se polariza en un material tanto eléctrica como magnéticamente.
Los materiales ópticos, no son magnéticos, se puede despreciar la permeabilidad, en vista que se reduce la
velocidad de los fotones, el haz de fotones cambia de dirección, al entrar dentro del material, suponga que
unos fotones viajan en el vacío chocando contra un material, los ángulos formados por los rayos incidente y
refractado, forman el índice de refracción.
El índice de refracción, no es constante para un material en particular, este se ve afectado por la frecuencia o
longitud de onda de los fotones, la dispersión de un
material se define como la variación de su índice de
refracción en función de la longitud de onda.
La dispersión cromática es el cambio que experimenta
el índice de refracción con la longitud de onda. En
general, el índice disminuye a medida que aumenta la
longitud de onda. Por un determinado material, la luz
azul viaja más lentamente que la luz roja. La
dispersión es el fenómeno que se da en la separación
de colores en un prisma
La dispersión representa un papel importante en la elaboración de las fibras ópticas, ya que significa que
pulsos de luz de diferentes longitudes de onda que se inician en un mismo tiempo en un extremo de una fibra
óptica, llegaría en momentos diferentes al otro extremo de la fibra, esta es la razón por la cual se prefiere
utilizar una fuente de luz de una sola longitud de onda, la dispersión también causa aberración cromática.
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d) Transmisión
La fracción del haz que no es reflejada o absorbida se transmite a través del material, mediante los siguientes
pasos:
La intensidad del haz transmitido depende de las longitudes de onda de los fotones que lo forman, suponga
que un haz de luz blanca (que contiene fotones con todas las longitudes de onda del espectro visible) choca
con un material; si se absorbe, refleja y, por lo tanto se transmite la misma fracción de fotones de distintas
longitudes de onda, el haz trasmitido también será de luz blanca o sin color.
Esto es lo que encontramos en materiales como el diamante, sin embargo si se absorben más los fotones de
longitudes de onda más largas (rojo, naranja, etc.) que los correspondientes a longitudes de onda más cortas,
es de esperarse que la luz transmitida sea de color azul o verde.
► En los metales, el coeficiente de absorción tiende a ser grande, particularmente en el espectro de la luz
visible, dado que no existe una brecha de energía en los metales, cualquier fotón tiene, virtualmente,
suficiente energía para excitar a los electrones hacia un nivel de energía más alto y absorber así, la
energía del fotón, virtualmente, suficiente energía para excitar a los electrones hacia un nivel de energía
más alto y absorber así la energía del fotón.
► Los materiales dieléctricos, por lo contrario, poseen una gran brecha de energía entre las bandas de
valencia y de conducción. si la energía de los fotones incidente es menor que la brecha de energía, no
habrá ningún electrón, que adquiera suficiente energía para escapar de la banda de valencias y por lo
tanto no se presentara la absorción, cuando los fotones no interactúan con imperfecciones dentro del
material, se dice que el material es transparente. Este el caso del vidrio, de muchos materiales cerámicos
y de polímeros amorfos.
► En los semiconductores intrínsecos, se presenta la absorción cuando los fotones tienen energías que
exceden la Brecha Eg, en tanto que habrá transmisión para fotones menos enérgicos, en estos materiales
su brecha de energía es más pequeña que en los materiales aislantes,
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► tenemos niveles energía donadores que proporcionan niveles de energía adicionales para que ocurra la
absorción, por lo tanto son opacos a radiaciones de longitud de onda corta, pero son transparentes a
longitudes de onda larga, por ejemplo, el silicio y el germanio pueden ser opacos a luz visible, pero son
transparentes a las radiaciones infrarrojas de longitudes de onda largas.
►
e) Aplicaciones “Celdas Solares”
Las celdas solares, también utilizan la absorción de la luz
para generar un voltaje, los portadores de carga generados
por absorción óptica están separados, lo cual desarrolla el
voltaje, este voltaje crea un flujo de corriente en un circuito
externo, Las celdas solares son uniones p-n diseñadas de
forma que los fotones exciten a los electrones hacia la banda
de conducción, los electrones se mueven al lado n de la
unión, en tanto que los huecos se trasladan al lado p, este movimiento genera un voltaje de contacto debido al
desequilibrio de la carga, si el dispositivo de unión se conecta a un circuito eléctrico, la unión actúa como una
batería para energizar al circuito.
Las celdas solares aprovechan recubrimientos anti reflejantes de forma que se capten al máximo los
elementos clave del espectro solar.
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f) Absorción, transmisión o reflexión selectiva.
Cuando los fotones se absorben, transmiten o reflejan de manera selectiva, se observa un comportamiento
óptico fuera de lo común.
En ciertos materiales, el remplazo de iones normales por transición o por elementos de tierras raras, produce
un campo de cristal, el cual crea nuevos niveles de energía dentro de la estructura, este fenómeno se
presenta cuando los iones Cromo +3 reemplazan en el Al2O3 a los iones de Al +3.
Los nuevos niveles de energía absorben luz visible en las porciones violeta y verde-amarillo del espectro,
Las longitudes de onda se transmiten, dando el color rojizo en el rubí,
además el remplazo del ion Cr genera un nivel de energía que permite
que aparezca la luminiscencia, cuando los electrones son excitados por
un estímulo, los láser generados a partir del rubí dopado con cromo
producen, por esta razón un rayo o haz rojo característico.
Los vidrios, también puede doparse con iones que producen absorción y
transmisión selectiva, por ejemplo los vidrios foto cromáticos, que se
utilizan en los anteojos, contienen compuestos de plata, el vidrio se
oscurece a la luz solar, pero se hace transparente en la oscuridad.
En la luz brillante, los iones de plata que contiene el vidrio adquieren un electrón a través de la excitación por
los fotones y se reduce de iones de Ag a racimos de átomos de nano tamaño de plata metálica, entonces se
presenta la absorción de los fotones.
Cuando la luz incidente disminuye en intensidad, la plata regresa a su situación de ion de plata y no se
presenta absorción.
En los cristales, también se pueden encontrar trampas de electrones o de huecos, conocidas como centros F,
por ejemplo cuando se produce fluorita, para que exista un exceso de calcio, se produce un hueco de ion de
fluoruro, para mantener la neutralidad eléctrica, se queda atrapado un electrón en el hueco, produciendo
niveles de energía que absorben todos los fotones visibles, a excepción del morado.
Los polímeros, en particular, aquellos que contienen un anillo mono aromático en su espina dorsal, pueden
tener enlaces covalentes complejos que producen una estructura de niveles de energía que causa la
absorción selectiva. Por esta razón la clorofila de las plantas tiene color verde y la hemoglobina en la sangre,
color rojo.
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Los colores de las cosas
Los mecanismos de observación del color pueden ser de dos tipos: por reflexión (materiales opacos) y por
transmisión (materiales transparentes).
Cuando un material iluminado con luz blanca presenta un determinado color es porque ha absorbido todas
las demás radiaciones, salvo la correspondiente a ese color, que, o bien es reflejada, si el material es opaco,
o transmitida por el material hasta aparecer por el lado opuesto, si es transparente. A este proceso se le
llama absorción selectiva.
Si un material refleja todas las radiaciones del espectro visible será percibido como blanco, mientras que si
las absorbe todas se verá negro.
Pero esto no es tan sencillo. Debemos tener en cuenta lo que se llama mezcal
aditiva de los colores de la luz. La luz blanca surge de combinar la luz roja, la
azul y la verde.
Un material que solo absorba el azul, reflejar el rojo y el verde, es decir, el
amarillo. Si cogemos un papel celofán amarillo, absorberá el azul y dejará
pasar el rojo y el verde. Si observamos un objeto azul lo veremos negro ya que
el objeto absorbe todos los colores menos el azul, pero azul ya no le llega,
porque ha sido absorbido por el celo.
Gafas de sol
El material polaroid que se usa en las gafas de sol, hace uso del dicroismo, o absorción selectiva para
conseguir la polarización.
La luz se transmite de forma selectiva (difusa o directamente) por materiales de color que absorben ciertas
longitudes de onda. Un filtro de color verde intenso absorbe las longitudes de onda rojas y azules de la luz
blanca, transmitiendo en su mayoría las verdes. Como en el caso de los reflectores de color, los materiales
transmisores de color cambian de aspecto según el contenido de la luz incidente en longitud de onda. Así, un
vidrio teñido de azul, por ejemplo, parece negro cuando se mira contra el anaranjado del sol en un ocaso.
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2) Propiedades Térmicas de los Materiales.
El manejo térmico se ha convertido en un factor muy importante en los materiales de empaque electrónicos,
los electrones transfieren calor, en los metales, en cambio en los cerámicos la conducción de calor comprende
a los fonones.
Esta transferencia de calor es también importante en muchas aplicaciones, como los vasos de poliestireno, en
estas ocasiones donde las propiedades del material dependen de la temperatura, se habla de propiedades
térmicas.
2.1) Capacidad Térmica
Al igual que en las propiedades ópticas, existen partículas encargadas de explicar el comportamiento en este
térmico de los materiales, se les conoce como fonones, en el cero absoluto, los átomos aumentan su energía
térmica y vibran con una amplitud y frecuencia especifica. la vibración de cada uno de los átomos, se
transfiere a los átomos circundantes y produce una onda elástica que se conoce como fonon.
La energía requerida para cambiar un grado en la temperatura del material, se le conoce como capacidad
térmica. Que definiendo formalmente, es
la energía necesaria para elevar la
temperatura de un mol de un material en
un grado, el calor específico se define
como la energía necesaria para
incrementar la temperatura de un grano
de un material en 1°C.
La capacidad de calor se puede expresar
a una presión constante (Cp) o a
volumen constante (Cv), en la mayoría de los cálculos y aplicaciones, en la ingeniería suele emplearse el calor
especifico, esta propiedad no depende de la estructura del material, por lo tanto tienen muy poco efecto en los
cambios de densidad de dislocaciones, tamaño de grano y vacancias.
El factor de mayor importancia que afecta al calor especifico es la vibración de la red cristalina, además, por
ejemplo en el Hierro, a la temperatura de Curie, se observa una capacidad de calor relativamente alta, donde
los momentos, normalmente alienados de los átomos de hierro se dispersan al azar y el hierro se vuelve
paramagnético, la capacidad de calor también depende de la estructura cristalina, como es el caso de este
material.
20
En la mayoría de los sólidos el modo principal por el
cual se absorbe energía es mediante el aumento de
la energía vibracional de los átomos, estos están
vibrando constantemente a frecuencias muy altas y
amplitudes relativamente bajas.
Estas vibraciones están coordinadas de tal manera
que se producen “ondas viajeras” aplicadas en virtud
al enlace químico, imaginando que son como ondas
elásticas que se propagan a través del cristal.
La energía térmica vibracional de un material consiste en una serie de estas ondas elásticas, que tienen un
intervalo de distribuciones y frecuencias, solamente ciertos valores de energía están permitidos y un cuanto
de energía vibracional se le denomina fonon.
2.2) Dilatación (Expansión) térmica
Un aumento en la temperatura origina una mayor vibración térmica de los átomos del material y un aumento
de la distancia media de separación entre los átomos adyacentes, en general, la dimensión global del
material en una determinada dirección, aumentara al hacerlo la temperatura, esta relación se refleja mediante
en el coeficiente de dilatación lineal.
Los coeficientes de dilatación de los cerámicos y vidrios son generalmente inferiores a los de los metales, que
estos a su vez son menores al de los polímeros, estas diferencias están relacionadas con la forma de la curva
de energía de enlace
Del diagrama anexado, se puede concluir:
Los cerámicos y vidrios generalmente poseen mayores energías de enlace asociadas, en relación a sus
enlaces iónicos y covalente, el resultado es un pozo de energía más simétrico, con menor incremento de la
distancia interatómica a medida que la temperatura aumenta.
Cuanto más profunda es la curva, mayor es el modulo elástico, además la mayor fortaleza del enlace,
corresponde a mayores temperaturas.
El coeficiente de dilatación lineal, está asociado con la temperatura.
21
De esta manera se puede concluir que:
1) Las características de expansión de algunos materiales, en particular de cristales individuales y de
materiales con una orientación preferida, son anisotropicas.
2) Los materiales alotrópicos tienen cambios abruptos en sus dimensiones cuando se presenta la
transformación de fase, estos cambios bruscos contribuyen al agrietamiento de los materiales refractarios
cuando se calientan o enfrían y a las grietas de templado en los aceros.
3) El coeficiente lineal de expansión cambia continuamente con la temperatura.
4) La interacción del material con campos eléctricos o magnéticos producidos por dominios magnéticos puede
impedir la expansión normal hasta que se alcanzan temperaturas superiores a la de Curie. Este el caso del
Invar, una aleación Fe-36%-Ni, mismo que no sufre prácticamente ningún cambio dimensional a
temperaturas inferiores a la de Curie (Aproximadamente a 200°C) Esto hace que el Invar resulte atractivo
como material para la fabricación de tiras bimetálicas.
En algunos casos, algunos metales como el Silicio y el estaño, al presentar enlaces covalentes en sus
estructuras químicas, son más difíciles de estirar que los enlaces metálicos (tienen un pozo más profundo en
la curva de energía contra separación). Por lo que estos elementos tienen un coeficiente menor, Dado que el
Germanio también tiene enlaces covalentes, su expansión térmica debe ser menor.
Cuando se calienta un material isotrópico lenta y uniformemente, este se expande de manera uniforme sin
crear algún esfuerzo residual, sin embargo al material se le limita el movimiento, los cambios adimensionales
quizá no puedan realizarse y en cambio, se generan esfuerzos térmicos.
Por ejemplo cuando se unen los metales, al recubrir tinas de baño de hierro con esmaltes, los cambios de
temperatura causan cantidades diferentes de contracción o expansión en los diferentes materiales. Situación
similar presentada en materiales compuestos.
22
Los esfuerzos térmicos también pueden presentarse en un material no rígido e isotrópico, si la temperatura no
es uniforme, como en la producción de vidrio templado, se enfría más rápido la parte central, para permitir
que, inicialmente, la superficie se contraiga. Después se enfría el centro, donde su contracción queda limitado
por la superficie rígida, dejando esfuerzos residuales a la comprensión en la superficie.
2.3) Conductividad Térmica.
Es una medida de la velocidad con la cual se transfiere calor atreves de un material, el tratamiento de la
conductividad térmica es similar al de la difusión, es decir es una propiedad sensible a la microestructura,
La energía térmica se transfiere mediante dos mecanismos importantes: la transferencia de electrones libres y
vibraciones de la red cristalina. Los electrones de valencia aumentan su energía, se trasladan hacia áreas
más frías del material y transfieren su energía a otros átomos. La cantidad de energía transferida depende del
número de electrones excitados y de su movilidad; estos a su vez, dependen del tipo de material, de las
imperfecciones de la red cristalina y de la temperatura, además, las vibraciones térmicamente inducidas de los
átomos transfieren energía a través del material, presentándose de las siguientes formas.
Metales
Dado que en los metales la banda de valencias no está totalmente ocupada, los electrones requieren solo de
un poco de excitación térmica para moverse y contribuir a la transferencia de calor. se debe principalmente a
la contribución electrónica.
23
Cuando aumenta la temperatura del material, dos factores que se contraponen afectan la conductividad
térmica, las temperaturas más altas originan un aumento en la energía de los electrones creando más
“portadores” e incrementado la contribución proveniente de la red cristalina; todo lo anterior incrementa la
conductividad térmica, sin embargo, una mayor vibración de la red cristalina dispersa los electrones,
reduciendo su movilidad y por lo tanto su conductividad térmica.
En el caso del Hierro, la
conductividad térmica
inicialmente se reduce al
aumentar la temperatura (debido
a una menor movilidad de los
electrones) y después se
incrementa ligeramente (debido
a una mayor vibración de red).
Los metales trabajos en frio, los
metales endurecidos por solución sólida y las aleaciones en dos fases, pueden mostrar conductividades
inferiores en comparación con sus contrapartidas libres de defectos
Cerámicos.
Su conductividad térmica experimentada es baja, en
comparación con la de los metales, la brecha de energía
en los materiales cerámicos es demasiado amplia para
que sean excitados muchos electrones hacia la banda de
conducción, a excepción de a muy altas temperaturas. En
consecuencia, la transferencia de calor en los materiales
cerámicos ocurre principalmente debido a vibraciones de
la red cristalina, dado que la contribución electrónica es
ausente, la razón principal por la cual la conductividad es
baja es el nivel de porosidad, otros factores también
influyen, por ejemplo el mejor ladrillo aislante tiene alta
porosidad.
Aditivos efectivos en la sinterizacion permiten la reducción de la densidad (reducen porosidad) así como la
formación de segundas fases deseadas en los límites de grano mediante el control de la textura o de la
orientación.
24
Los vidrios tienen una conductividad térmica baja, la estructura amorfa poco empaquetada minimiza los
puntos en los cuales las cadenas de silicatos entran en contacto entre sí, dificultando más la transferencia de
fonones, sin embargo la conductividad térmica aumenta conforme se incrementa la temperatura; temperaturas
más elevadas producen fonones con más energía y una transferencia más rápida del calor.
La estructura más ordenada de los materiales cerámicos cristalinos, así como de los materiales cerámicos
vítreos que contienen grandes cantidades de precipitados cristalinos, causa una dispersión menor de los
fonones.
Algunos materiales cerámicos tienen conductividad térmica que se acercan a la de los metales, aunque los
materiales cerámicos avanzados como el AlN y SiC son buenos conductores térmicos, son aislantes.
Semiconductores
Estos materiales conducen el calor, a bajas temperaturas, los fonones son portadores principales de energía,
pero a temperaturas más elevadas, los electrones son excitados a través de la pequeña brecha de energía
hacia la banda de conducción y la conductividad térmica se incrementa de manera importante.
Polímeros.
En estos materiales, la conductividad térmica, es reducida, la vibración y el movimiento de las cadenas
moleculares de los polímeros transfieren energía, si se aumenta el grado de polimerización, o el grado de
cristalinidad, minimizando las ramificaciones y proporcionando un extenso entrelazamiento, todo lo anterior
produce una estructura más rígida y por lo tanto una elevada conductividad térmica.
En muchas aplicaciones de transferencia de calor, relacionadas con la microelectrónica, se utilizan resinas
epoxicas cargadas con plata, mediante el uso de espumas de polímeros, a menudo el poliestireno y
poliuretano, se obtiene un buen aislamiento térmico.
La estabilidad térmica depende tanto de la estructura como de la composición química.
25
Los grupos laterales y los anillos de la cadena, así como la presencia de
fuerzas de van der Waals intensas, aumentan la temperatura de fusión de
los polímeros. La cristalinidad también incrementa la temperatura de fusión
de manera significativa.
3) Materiales Superconductores
La resistividad eléctrica de un metal normal como el cobre disminuye de manera uniforme cuando se reduce la
temperatura y se alcanza un valor residual bajo
cercano al cero absoluto (0 grados Kelvin). En
contraste, cuando la temperatura disminuye, la
resistividad eléctrica del mercurio decrece
repentinamente a 4.2 K hasta un valor
inmensurablemente pequeño. Este fenómeno recibe el
nombre de superconductividad, y el material que
muestra este comportamiento se denomina material
superconductor. Alrededor de 26 metales son
superconductores así como cientos de aleaciones y
compuestos.
Hay algunas características de los materiales
superconductores del tipo metálico, que no cambian
con la transición al estado superconductor, entre ellas podemos señalar las siguientes:
1) El patrón de difracción de los rayos X no cambia. Esto indica que no hay cambio en la simetría de la
red cristalina. Tampoco hay cambio en la intensidad del patrón de difracción, lo que indica que
prácticamente no hay cambio en la estructura electrónica.
2) No hay cambio apreciable en las propiedades ópticas del material, aunque éstas están usualmente
relacionadas con la conductividad eléctrica.
3) En ausencia de un campo magnético aplicado sobre la muestra, no hay calor latente en la transición.
4) Las propiedades elásticas y de expansión térmica no cambian en la transición.
26
3.1) Propiedades y Aplicaciones de la Superconductividad en Materiales.
La temperatura por debajo de la cual la resistividad eléctrica de un material tiende a cero recibe el nombre de
Temperatura critica, arriba de esta temperatura del material se denomina normal, y debajo de la temperatura
critica se dice que el material es superconductor.
La superconductividad depende también del campo magnético y la densidad de corriente, de este modo, para
que un material, el campo magnético y la densidad de corriente, no deben excederse y para cada material
superconductor existe una superficie critica en el espacio, de estas variables.
Si un campo magnético suficientemente intenso se aplica a un superconductor a cualquier temperatura por
debajo de su temperatura critica, el superconductor regresa a su estado normal, El campo magnético
aplicado, necesario para restaurar la conductividad eléctrica normal en el superconductor se denomina campo
crítico. Una densidad de corriente crítica, suficientemente alta también destruiría la superconductividad en los
materiales.
De acuerdo con su comportamiento en un campo magnético aplicado, los superconductores se clasifican:
Tipo I: tal como el plomo (Pb) o Estaño (Sn) se coloca en un campo magnético a temperatura ambiente, el
campo magnético penetrara normalmente a través del metal, sin embargo, si la temperatura de un
superconductor de este tipo disminuye por debajo de su Temperatura crítica y su campo magnético está por
debajo de la densidad de corriente crítica, el campo magnético será expulsado del espécimen excepto por una
muy delgada capa de penetración, esta propiedad de una exclusión del campo magnético en el estado de un
superconductor se le conoce como efecto Meissner.
27
El efecto Meissner es una de las propiedades que definen la superconductividad y su descubrimiento sirvió
para deducir que la aparición de la superconductividad es una transición de fase a un estado diferente.
La expulsión del campo magnético del material superconductor posibilita la formación de efectos curiosos,
como la levitación de un imán sobre un material superconductor a baja temperatura.
Tipo II: Se Comportan de manera diferente en un campo magnético a temperaturas por debajo de la
Temperatura critica, son altamente
diamagnéticos como los superconductores
tipo I, hasta un campo magnético aplicado
crítico, el cual recibe el nombre de campo
critico inferior H, de este modo el flujo
magnético se excluye del material, arriba de
este campo crítico, el campo magnético
empieza a penetrar al superconductor de
tipo II, y continua haciéndolo hasta que se
el alcanza el campo critico superior, el super
conductor está en el estado mezclado ,
puede conducir corriente eléctrica dentro del
material y en consecuencia, esta región de
campo magnético puede utilizarse para
superconductores de alto campo y alta
corriente.
28
Flujo de corriente y campos magnéticos
Los superconductores de tipo I, son pobres portadores de corriente eléctrica puesto que esta solo puede fluir
en la capa de la superficie exterior de un espécimen conductor, la razón de este comportamiento es que el
campo magnético solo puede penetrar la capa superficial, y solo es posible que la corriente fluya en esta
capa, En los superconductores tipo II, debajo de la
densidad de corriente crítica, los campos magnéticos
se comportan de la misma manera, sin embargo, si el
campo magnético esta entre H1 y H2 (estado mixto),
la corriente puede llevarse al interior del
superconductor por medio de filamentos.
En los superconductores de tipo II, cuando se aplica
un campo magnético entre H1 y H2. El campo
penetra la masa del superconductor en la forma de
paquetes de flujo cuantizados individuales
denominados fluxoides.
La movilidad de los fluxoides puede ser afectada en gran medida por las dislocaciones, fronteras de grano y
precipitados finos y por ello, la densidad de corriente puede elevarse mediante trabajo en frio y tratamientos
térmicos.
Óxidos superconductores de alta temperatura critica.
En 1987 se descubrieron superconductores con temperaturas críticas de alrededor 90 K, este compuesto es el
YBa2Cu3Oy.
Desde el punto de vista cristalina puede considerarse que este compuesto tiene una estructura de perovskita,
en una pila ideal de tres celdas unitarias cubicas, el compuesto debe tener y=9, sin embargo, los análisis
demuestran que y varia de 6.65 a 6.90 para que este material sea un superconductor. En y=6.90 su
temperatura crítica es más alta y en 6.65 la superconductividad desaparece, de tal modo, las vacantes de
oxigeno desempeñan un papel en el comportamiento del compuesto.
Desafortunadamente, los superconductores de alta temperatura son casi todos cerámicos, los cuales son
quebradizos y en su forma pura, tienen baja intensidad de corriente. Las primeras aplicaciones para estos
materiales probablemente estarán en la tecnología de películas delgadas para sistemas electrónicos como las
computadoras de alta velocidad.
29
Aplicaciones de los Superconductores.
Los superconductores tienen numerosas aplicaciones. Actualmente, los imanes más potentes se fabrican con
bobinas de cables superconductores (electroimanes superconductores). Este es el caso de los imanes que se
utilizan en grandes instalaciones científicas, como los aceleradores de partículas, y en medicina, como los
aparatos de resonancia magnética nuclear. Los imanes potentes son también un componente importante de
los generadores que transforman energía mecánica en electricidad (como es el caso de los generadores
eólicos e hidráulicos). El uso de imanes producidos por bobinas
superconductoras disminuyen las pérdidas mecánicas en la
producción de energías alternativas. De esta forma disminuye de
forma muy importante el peso y las dimensiones de los
motores. Además el uso de generadores superconductores
disminuye la dependencia en las escasas tierras raras que componen
los imanes convencionales.
Los aerogeneradores superconductores han surgido como una
propuesta muy prometedora para solventar estos problemas. Por debajo de una temperatura crítica, los
materiales superconductores no presentan resistencia eléctrica, y tienen capacidad para transportar grandes
densidades de corriente. Estas propiedades son idóneas para la generación de campos magnéticos y su uso
en motores y generadores. La baja temperatura crítica de gran parte de los superconductores precisa
refrigerar con helio líquido, muy costoso para aplicaciones a gran escala. Hace 25 años se descubrieron
materiales que son superconductores a una temperatura superior a la de la ebullición del nitrógeno líquido,
reduciendo notablemente el coste del sistema de refrigeración criogénico
3.2) Estado Actual de Los Superconductores.
Muchos han sido los avances respecto a la superconductividad, a continuación, muestran algunos de los
avances más relevantes en los últimos tres años.
Grafeno y Pares de Cooper
Un electrón se mueve por la red metálica. Por lo tanto produce una deformación de la misma a su paso. Un
pequeño desplazamiento de los iones más cercanos. Evidentemente
esto no se extiende mucho más allá de sus inmediaciones por efecto
de apantallamiento de la red y de otros electrones por ahí
Cuando un electrón produce este hecho, la modificación en la red hace
que aparezca una región con una densidad de carga positiva superior
a los alrededores. Esta región atraerá a otros electrones circundantes.
30
Estos electrones se moverán como una única entidad por la red ya que se
puede calcular (no es nada fácil) que esta situación es energéticamente
favorable.
En esta situación cualquier intento de acercamiento o separación de los miembros del par se reconduce por la red a una situación en la que los electrones forman un par ligado.
(Recordemos que esta imagen es puramente clásica).
Es evidente que este fenómeno se dará preferentemente a temperaturas bajas porque cualquier vibración de la red
destruiría esta imagen y no se podrían formar estos pares ligados de electrones.
Por lo tanto, los pares, una vez formados, se comportan como una única entidad, es lo que se conoce como una
cuasipartícula en el contexto de la física de la materia condensada.
Superconductores "pares de Cooper" de electrones se han dividido para crear pares entrelazados de los
electrones en un nuevo dispositivo construido por los físicos en Finlandia y Rusia. El dispositivo utiliza dos
puntos cuánticos hechos de grafeno. Aunque otros tipos de puntos cuánticos se han utilizado para este
propósito, la investigación más reciente sugiere que los puntos cuánticos de grafeno deben entregar pares de
electrones entrelazados de larga duración que podrían ser utilizados en ordenadores cuánticos.
El entrelazamiento es un fenómeno de la mecánica cuántica en la que las propiedades de las partículas
fundamentales se correlacionan de manera que se hace una medición sobre una partícula puede afectar
instantáneamente otra partícula - incluso a través de distancias muy grandes. En principio, un ordenador
cuántico puede utilizar esta conexión para realizar ciertos cálculos mucho más rápido que un ordenador
convencional. Aunque los ordenadores cuánticos práctica no existen hoy en día, algunos diseños potenciales
involucran el uso de las cantidades de movimiento angular intrínseco, o "spin", de electrones como bits
cuánticos (qubits) de información que pueden ser enredadas.
Los superconductores proporcionan una fuente de electrones enredados debido a que los pares de Cooper
que permiten que estos materiales para conducir la electricidad con poca o ninguna resistencia son de hecho
enreda pares de electrones con spin opuesto. La división de los pares, preservando el entrelazamiento de los
electrones puede hacerse simplemente mediante la conexión de cables de metal común para cualquiera de
los extremos del superconductor. Si la configuración es la
correcta, cada cable se arrebata un electrón de un par. Sin
embargo, es más frecuente que los dos electrones se terminan
yendo por el mismo cable.
Para dividir los electrones entrelazados desde el superconductor,
los investigadores se propusieron por primera vez el nivel de
energía de resonancia de los puntos cuánticos para igualar la
energía que posee los pares de Cooper. A continuación, variaron
la tensión de puerta a través de uno de los puntos y monitoreados
la corriente que fluye a través del otro.
31
Encontraron que en la mayor parte de la gama de tensión no había corriente, pero que en ciertas tensiones de
la corriente de repente aumentar, caer por debajo de cero y luego volver a la marca cero. El auge, explican, se
debe a que a esa tensión la energía en una aumenta de puntos muy ligeramente, mientras que en las otras
gotas por la misma cantidad pequeña, provocando que los electrones para separar y así registrar una
corriente (parejas no separadas registran como cero actual). La corriente negativa, por su parte, es causada
por electrones "elástica co-túnel" a través del superconductor. "Es como tener un interruptor donde se invierte
la corriente mediante la alineación de los niveles de energía, ya sea simétrica o antisymmetrically", dice
Hakonen.
También tienen como objetivo mostrar que el dispositivo no sólo se divide pares de Cooper, pero que de
hecho conservan entrelazamiento. Planean hacer esto mediante el registro del espín de los electrones
separados utilizando los contactos hechos con la aleación magnética permaloy apodado-níquel hierro.
Bombilla de Grafeno que reduce el costo de luz
Tiene apenas 10 años de vida, pero el grafeno ya comienza a demostrar sus infinitas aplicaciones.
Considerado un material milagroso, se trata simplemente de una lámina de carbono de un átomo de
espesor. Es un millón de veces más fina que una hoja de papel, y muy ligera. Una lámina de un metro
cuadrado sólo pesa 0,77 gramos. Es transparente, flexible, impermable, no contamina, y es 200 veces más
fuerte que el acero. Además es superconductor: 100 veces más rápido que el silicio usado en los chips.
Conduce el calor, genera electricidad cuando recibe luz, y cambia sus propiedades cuando se combina con
otros materiales. Su unión es tan perfecta que ni siquiera los átomos de helio, los más diminutos que existen,
pueden atravesarlo. También es barato de fabricar, y es muy común en la Naturaleza. Todos los países lo
tienen en abundancia.
No obstante, no resulta fácil de fabricar en grandes cantidades, aunque se están dando pasos en este sentido.
La bombilla de grafeno dispone de un filamento fabricando con este material, que como hemos dicho es
superconductor. Esto permite ofrecer la misma energia lumínica, con un menor consumo. Puedes verla en
funcionamiento en la foto de apertura de la noticia.
Está siendo desarrollada por Graphene Lighting, una empresa ligada a la Universidad de Manchester. El año
pasado, el gobierno británico invirtió 61 millones de libras para crear elInstituto del Grafeno, que es donde se
ha desarrollado esta bombilla de grafeno.
Origen de la Temperatura de un superconductor.
El secreto de la superconductividad a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273,15 grados Celsius), reside
en el hecho de que, bajo estas condiciones, se detiene el movimiento térmico de los átomos del material. A
diferencia de otros materiales, dentro de los cuales los electrones se desplazan solos, chocan entre sí y, de
esta manera, se pierde energía, en condiciones de temperaturas bajas dentro de los materiales
superconductores los electrones se mueven emparejados, ligados por unos lazos muy fuertes.
32
Estos lazos entre dos electrones se originan en la estructura especial de superconductores, y cuantos más
fuertes son los superconductores, tantos más fuertes son los lazos. La superconductividad se pierde cuando
se rompen los lazos entre dos electrones, por ejemplo si sube la temperatura o por el impacto de un campo
magnético fuerte, y mientras estos lazos se mantienen los electrones emparejados pueden viajar
eternamente.
Sin embargo, hasta ahora los científicos no sabían cómo se mantenían estos lazos entre electrones en los
superconductores de alta temperatura. Según investigadores de la Universidad de Cambridge, las ondas de
densidad de carga de los electrones se acumulan en los retorcidos "bolsillos", que se encuentran en las zonas
de mayor superconductividad. Estos "bolsillos" se forman en una estructura muy especial dentro de materiales
estudiados, parecida al juego 'Jenga', donde cada ladrillo es un 'bolsillo'. Mientras esta estructura se mantiene,
se mantiene la superconductividad de materiales, y buscando materiales con una estructura similar, los
científicos podrían hallar y estudiar más superconductores aún desconocidos..
Materiales Superconductores Recientes.
CeCoIn5 (Cerium-Cobalt-Indium 5)
La superconductividad permite el flujo de electricidad sin ninguna pérdida de energía, pero este fenómeno
extremadamente baja temperatura desaparece por encima de una temperatura crítica (Tc). Desde el
descubrimiento de una nueva clase de materiales en 1986, conocido como superconductores no
convencionales, que conserva la superconductividad a temperaturas mucho más altas que los
superconductores convencionales conocidos anteriormente, la comunidad científica ha estado en la búsqueda
para aprender acerca de los mecanismos completos para la superconductividad no convencional para permitir
el diseño de los materiales superconductores que operan a temperatura ambiente. En general, los materiales
de descubrimiento para los superconductores de mayor Tc ha sido
perseguido por dopaje controlado (sustitución estratégica de ciertos
elementos con los demás) de un material de partida con una Tc ya
elevado. Aunque este enfoque parece funcionar hasta cierto punto,
la predicción del comportamiento superconductor de materiales
recién sintetizadas sigue siendo un reto importante debido a varias
complejidades, incluyendo el trastorno en los materiales cristalinos.
Un equipo internacional liderado por científicos del Laboratorio
Nacional de Los Alamos ha demostrado que el compuesto con
CeCoIn5 increíblemente alta pureza y la más alta temperatura
superconductor para un material a base de cerio podrían servir
como un sistema ideal para investigar el efecto de desorden en los
materiales. Fluctuaciones magnéticas, un controlador para la superconductividad no convencional, de hecho
se observaron en CeCoIn5 prístino, pero localmente desaparecen en el material dopado con una pequeña
cantidad de cadmio (en sustitución de indio). Sorprendentemente, la temperatura de transición
superconductora del material dopado se mantuvo casi no afectada. Este trabajo muestra que 'gotas' estáticas
de forma magnetismo alrededor de los átomos dopados,
33
pero no afectan a la superconductividad en este material. Se espera que nuevas investigaciones sobre este
material permita descifrar de otros aspectos de la superconductividad no convencional que podría allanar el
camino para el desarrollo de una teoría más completa de este fenómeno emergente complejo.
(CeCoIn5), en virtud de su alta pureza, permite el estudio de la interacción entre el magnetismo,
superconductividad, y el desorden en tres diferentes clases de los superconductores no convencionales
(cupratos, pníctidos y fermiones pesados). El sistema versátil modelo podría ayudar a los investigadores a
descifrar los fenómenos emergentes complejos en clases diferentes de los superconductores no
convencionales y en el desarrollo de una teoría completa de la superconductividad de alta temperatura.
3.3) Situación Económica de los Superconductores.
El uso extensivo de nuevas tecnologías en la extracción de
energía alterará el mapa de la producción energética
mundial tal y como lo conocemos ahora, y tendrá profundas
consecuencias en la competitividad de las distintas regiones
mundiales. A la cabeza de estas tecnologías se encuentra
el fracking, la tecnología de fractura hidráulica que permite
librar y capturar gas atrapado en tipos de roca y subsuelo
antes difícilmente accesible, que está provocando una
revolución en el sector del gas en Estados Unidos.
Se estima que la “revolución energética” podría llevar a los
precios del gas en Estados Unidos, donde comenzó a
aplicarse esta técnica y donde ha alcanzado mayor nivel de
desarrollo, a su precio más bajo en décadas, generado un ahorro de costes para sus empresas, que generaría
una gran presión a la estructura de costes sus competidoras globales (especialmente a las europeas).
Por otro lado, el descubrimiento y el avance en la aplicación de otros materiales y materias primas como por
ejemplo el grafeno8 o las tierras raras9 serán de gran relevancia para la elaboración de imanes para los
discos duros, las lámparas halógenas o la construcción de equipos de diagnóstico por resonancia magnética
nuclear. La generalización y los avances en el uso industrial de estos y otros materiales generarán una
dinámica rupturista en un gran número de sectores y subsectores económicos, alumbrarán nuevos y
altamente rentables nichos de mercado y consolidarán la ventaja
tecnológica de aquellas economías
El grafeno no tiene catalogación de materia prima y por eso no cotiza en
forma de derivado en los mercados financieros. Asique la única manera de
invertir en grafeno es a través de las diferentes empresas que lo utilizan o
intervienen en su proceso de creación.
34
En primer lugar, se puede invertir en las minas de grafito. Existe un número amplio de empresas dedicadas a
la extracción de este mineral como Alabama Graphite Corp, Carbone Lorraine, China Carbon Graphite Group,
HEXCEL.
En segundo lugar, se puede invertir en las empresas productoras del grafeno, es decir, aquellas que modifican
el grafito para obtener grafeno. Las empresas líderes en este apartado son: CVD Equipment Corporation que
cotiza en el Nasdaq y Oxfords Instruments.
A pesar de todo, invertir en grafeno aún se estima que se trata de una inversión especulativa. De
momento, no es más que una corazónada aquellos que creen en él y avisan que tiene ciertas limitaciones
como por ejemplo que no es posible fabricarlo a gran escala. Además, como la inversión no es sobre el éxito
del grafeno sino de la empresa por la que se ha
apostado tampoco es seguro el éxito. Por último,
aunque se está trabajando en reducir drásticamente
sus costes de producción aún sigue siendo bastante
alto.
Grafeno en España
Aunque el negocio del grafeno aún se encuentra en
estado embrionario, en Europa su comercio movió 9
millones de euros, España se encuentra como
referente. En el territorio español encontramos varias empresas punteras, no sólo en Europa, sino que
compiten con las norteamericanas. La primera de ellas es Graphenea Nanomaterial, que lidera la producción
de grafeno en lámina de alta calidad. La empresa vasca compite con las empresas más desarrolladas de
Estados Unidos.
Aparte de Graphenea, encontramos también la primera productora mundial de producción de grafeno en polvo
que es la riojana Avanzare. Otra empresa que pelea por ser líder mundial en su sector es la alicantina
Grapheano, que ha abierto una delegación en Alemania, que se dedica a la fabricación en cantidades
industriales a través de un sofisticado sistema de producción. Este sistema proporciona la posibilidad de crear
redes y cables superconductores.
35
Conclusión
Conocer y comprender el comportamiento de los materiales, en diferentes ambientes, resulto ser
demasiado interesante ya que, algunos aspectos se desconocían, y gracias a la presente, se
pudieron comprender mejor, mediante el uso de esquemas, teorías y gráficos, se comprendieron los
temas anteriormente expuestos.
Las propiedades de los materiales, son el mejor argumento para que al material se le de algún uso,
es decir, cada característica que tenga, lo hace una clasificación.
Se comprendió el comportamiento óptico, térmico y un caso especial, la superconductividad, tema de
interés hoy en día. Un material superconductor es aquel que trabaja a temperaturas por debajo del
cero absoluto, teniendo nada de resistencia al paso de la corriente.
Los superconductores y sus investigaciones, están a la orden del día, como también en diversas
aplicaciones, un caso importante, las energías renovables.
Después de la comprensión y análisis de los diferentes comportamientos de los materiales, se
tendrán bases para seguir con la formación profesional, así como aplicarlos y relacionarlos, al igual
con la propiedad de superconductividad, para mejorar la calidad de la vida cotidiana.
36
FUENTES DE CONSULTA
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http://www.newswise.com/articles/a-potential-rosetta-stone-of-high-temperature-superconductivity
http://cuentos-cuanticos.com/2013/04/26/par-de-cooper/
http://computerhoy.com/noticias/hardware/primera-bombilla-grafeno-reduce-factura-luz-26289
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www.esadegeo.com/.../201307Tentrends_Blanco_Guerrero_ES.pdf
http://www.estrelladigital.es/articulo/economia/comienzo-era-
grafeno/20140715104930203909.html
http://ivanolguin.blogspot.mx/2013/05/grafeno-el-fantasma-que-amenaza-nuestra.html
http://www.fisicanet.com.ar/fisica/ondas/ap13_absorcion_selectiva.php
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Schackelford, J. (2005). Introduccion a la ciencia de materiales para ingenieros. Mexico: Pearson.
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