Electrolitos Sólidos

Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Química
Electrolitos Sólidos
Alejandra Maribel Maturano González (311006070), Diego Alfonso Colín Taboada (415078960)
Introducción
La electroquímica en estado sólido es un área de investigación
interdisciplinaria entre la química del estado sólido, la ciencia
de materiales y la electroquímica, dentro de este campo se
investigan distintos temas, pero el más importante es el de los
electrolitos sólidos.
Los electrolitos sólidos son materiales conductores de
electricidad que utilizan iones como portadores de carga (Los
materiales que tienen como portadores de carga electrones se
denominan conductores electrónicos y los que tienen ambos
son llamados electrodos de intercalación).
Usualmente estos materiales presentan conductividades con
valores 𝜎~10−3 − 101 Ω−1 𝑐𝑚 −1 y sus aplicaciones están en
baterías, celdas de combustible, sensores electroquímicos, etc.
Los electrolitos sólidos pueden ser clasificados en distintas
categorías:

Por estructura: Cristalinos, amorfos o poliméricos

Por ión móvil: Ag+, Cu+, Li+, Na+, K+, Tl+, Cs+, O2-, F-, H+ y otros
menos comunes.
Otro grupo de electrolitos son los mixtos que involucran
conducción iónica y electrónica simultánea.
Estos materiales se caracterizan principalmente:

Estructura: Determinada por técnicas usuales de difracción
de Rayos X, Neutrones, etc.

Propiedades (comportamiento eléctrico): Métodos
térmicos
Conducción en estado sólido
Los defectos son imperfecciones en una red cristalina, lo que
implica que perturban el orden local, se clasifican por
dimensionalidad en puntuales, lineales, planares, etc.
Los defectos puntuales consisten en la sustitución de un átomo
por otro distinto en una posición cristalográfica, en la ausencia
de una especie (defecto tipo vacancia) o el alojamiento de una
especie entre dos posiciones ocupadas.
Otro tipo de defectos son los planares que consisten en límites
de grano que separan dos partes del cristal. Si la falla es causada
por agregados de vacancias, se llaman fallas apiladas
intrínsecas, si son causadas por agregación intersticial, se
llaman fallas apiladas extrínsecas.
Las superficies internas de los materiales se clasifican como
fallas apiladas, planos cristalográficos de corte y límites de
grano. Los límites de grano separan las regiones del cristal que
tienen orientaciones diferentes. Las impurezas y otros defectos
puntuales se mueven desde el seno del cristal hacia sus límites,
así, los límites de grano actúan como vías preferenciales para el
transporte de materia a través de sólidos.
Los defectos controlan propiedades importantes. Las
propiedades eléctricas de los semiconductores y el color de la
luminiscencia de muchos cristales dependen de las trazas de
impurezas. Los átomos impuros tienen muchos sobre las
propiedades eléctricas, ópticas, magnéticas, térmicas y
mecánicas de los sólidos, la plasticidad, fluidez y difusión
atómica son controladas por estos.
Los defectos en los sólidos no sólo son cruciales en la
determinación de sus propiedades, también juegan un papel
central en la existencia del estado sólido, en el proceso de
formación y crecimiento de un cristal y en la fusión.
En equilibrio térmico, debido a una distribución energética de
Boltzmann un cierto número de vacantes siempre están
presentes y su concentración se incrementa conforme la
temperatura lo hace. Las vacantes producidas como resultado
de procesos de equilibrio térmico como irradiación,
deformación o adición de impurezas se llaman vacantes
“atérmicas” o “extrínsecas”.
(a)
(b)
Figura 1. (a) Mecanismo de conducción por salto hacia posición intersticial (b)
Mecanismo de conducción por salto hacia vacancia.
Electrolitos cristalinos
El mecanismo de conducción en electrolitos cristalinos consiste
en la propagación de iones (normalmente cationes) en la red
mediante saltos hacia posiciones vecinas, existen dos tipos de
sitios a los cuales puede saltar un ión:

Sitios vacíos (vacancias):

Posiciones entre sitios ocupados (posiciones intersticiales):
Electrolitos Amorfos y Poliméricos
En este tipo de conductores el mecanismo es conceptualmente
similar al de los electrolitos cristalinos, sin embargo, el
modelado matemático es más complicado por la falta de orden
a largo alcance.
Una alta concentración de defectos puede ser congelada, o
quenching, por un enfriamiento repentino de elevadas
temperaturas a muy bajas temperaturas. El proceso de
quenching puede ser usado para preparar alojamientos
Química del Estado Sólido | 1
amorfos. Otro método para preparar sólidos amorfos es crear
concentraciones de defectos altamente saturadas usando altas
dosis de irradiación o implantación de iones.
Adicionalmente a los defectos intrínsecos, ha surgido mucho
interés en un número de materiales poliméricos que son
capaces de incorporar impurezas que generalmente alteran sus
propiedades eléctricas, incluyendo la conductividad eléctrica de
diez o doce órdenes de magnitud. Las impurezas son dopadas
electroquímicamente o por difusión con ambas especies,
catiónica y aniónica.


Modelo microscópico y dependencia con T
Matemáticamente es simple modelar el comportamiento de la
conductividad en función de la temperatura como:
𝜎=
𝜎𝑜
𝑇
𝑒
−
El sistema más estudiado de este tipo es el conductor YSZ
(Conductor de Itrio estabilizado por Zirconio), es un buen
conductor de alta temperatura y consiste en un polimorfo
cúbico de la zirconia (con estructura tipo fluorita)
Conductores de ión Li+:
Esta familia es la más estudiada por su aplicación en
baterías, es la más prometedora y tiene conductividades
mayores por la alta movilidad de este catión en la
estructura
Conductores de protones:
Este tipo de conductores funcionan solo a temperaturas
moderadas pues la mayoría contiene agua y se descmpone
al calentarse, consisten en sales ácidas como el Sb2O5 nH2O.
𝐸𝑎
𝑘𝐵 𝑇
Donde Ea es la energía de activación para el salto del ión, k B la
constante de Boltzmann, T la temperatura absoluta y 𝜎𝑜 es el
valor extrapolado a 1/T=0 (Es función de la carga del ión, la
probabilidad de un salto, la geometría local, etc). Este modelo
está respaldado en el comportamiento lineal de log 𝜎𝑇 =
log 𝜎𝑜 − 𝐸𝑎 /𝑘𝐵 𝑇.
Algunos valores para la energía de activación son 1.24 eV para
defectos de Frenkkel, 0.27-0.34 eV para migración de cationes
(cf. Energía térmica a 300 K ~ 25 meV)
(a)
(c)
Figura 2. Dependencia lineal de log 𝜎𝑇 = log 𝜎𝑜 − 𝐸𝑎 /𝑘𝐵 𝑇 para distintos
materiales sólidos.
Ejemplos
Los electrolitos sólidos más comunes son los cristalinos, en las
figuras 2 y 3 se pueden observar varios ejemplos de sistemas
comunes y su dependencia con la temperatura.
En general los grupos más importantes son:

Sistemas de Alúmina:
Esta familia la conforman materiales de fórmula M2O nX2O3
donde n toma valores entre 5 y 11, M es un catión
monovalente y X es un catión trivalente (Al3+, Ga3+ o Fe3+).
El miembro más importante es el compuesto con Na y Al.

Sistemas de Halogenuros de Iones Alcalinos:
Los compuestos más importantes de esta familia son los
fluoruros, esto se debe a su conducción por saltos a
vacancias (de defectos tipo Frenkel).

Sistemas de Óxidos:
2 |Química del Estado Sólido
(b)
(d)
Figura 3. Dependencias del logaritmo de la conductividad con la temperatura para
sistemas comunes de: (a) β-Alúmina (b) Fluoruros (c) Óxidos (d) Iones H+.
Algunos
conductores
poliméricos
son
poliacetileno,
poli(pirroletosilato), y poli(pirrol fluoruro). Los tiopenos son
más útiles porque, son razonablemente buenos conductores
eléctricos y son más flexibles, mecánicamente fuertes y
estables.
Referencias
1
2
3
4
5
6
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Springer: Heidelberg, 2012.
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Edition, Student Edition; John Wiley & Sons, 2014.
Naidu, S. V Defects in solids; Salem Press Encyclopedia of
Science, January, 2015
Van Gool, W. Solid Electrolytes; Academic Press: New York,
1978
Cuenca Perez Samuel
Rosado Zaidi David
Fecha de entrega:
Estado Sólido Tercer Examen Parcial 9 de Mayo de 2016 Fotocatalizadores Sólidos Características Químicas El compuesto más empleado en fotocatálisis es el TiO​
,debido a que es químicamente inerte, no tóxico, 2​
abundante y resistente a procesos de corrosión. Es un semiconductor sensible a la luz por lo que absorbe radiación electromagnética en regiones muy cercanas a la región UV. Los polimorfos relevantes de este compuesto son: Anatasa (I 4​
/amd) y Rutilo (P 4/mnm). A pesar de que la anatasa es 1​
termodinámicamente menos estable que el rutilo, tiene mayor área superficial y densidad superficial, características muy útiles para procesos catalíticos. Ésto consecuenta en que los procesos con fotocatalizadores sólidos son fenómenos de superficie y que el área de contacto es importante para que el proceso se lleve a cabo con éxito. Características Estructurales El rutilo y la anatasa cristalizan en sistemas tetragonales. Normalmente el monocristal de la anatasa se forma con una estructura bipiramidal ­similar a una estructura octaédrica con un volumen de celda de 3​
136.82 A​
. Por otro lado, el rutilo posee la misma estructura tetragonal pero su volumen de celda es 62.43 3​
A​
. Las dos estructuras tienen celdas unitarias distintas, con diferentes parametros de red, densidad y nùmero de átomos dentro de la estructura. Mineral Grupo Espacial a c Z Volumen Densidad Anastasa I 4​
/amd 1​
3.7930 9.5100 4 136.8 3.88 Rutilo P 4/mnm 4.5940 2.9580 2 62.4 4.25 Tabla 1: Características estructurales de los alótropos de TiO2. Imagen 2: Descripciòn de una sistema tetragonal con nombre de clase ditetragonal­dipiramidal. Descripción breve y sustancial del fenómeno Este proceso catalítico se lleva a cabo cuando se forma una interfase entre un sólido (fotocatalizador) y una fase líquida y/o gaseosa que contenga los reactivos de la fotorreacción. En dicha región, la distribución de los electrones del catalizador se encuentra excitados y lejos de la superficie, por lo tanto, la densidad electrónica aumenta la reactividad con compuestos con los que normalmente no reaccionaria sin radiación. Este fenómeno ocurre cuando: Cuenca Perez Samuel
Rosado Zaidi David
Fecha de entrega:
Estado Sólido Tercer Examen Parcial 9 de Mayo de 2016 1. Una especie metálica en una superficie sólida es fotoexcitada. 2. Un semiconductor absorbe luz. Teoría que lo fundamenta La aproximación de Born­Oppenheimer predice que el comportamiento de los electrones esta directamente relacionado con las posiciones nucleares de una molécula; sin embargo, dicha aproximación no implica que los electrones no puedan encontrarse en posiciones de estados excitados. Por lo tanto, a través del principio de Franck­Condon, se sabe que las longitudes de onda que estimulan un sólido con 14​
frecuencias mayores a 10​
prácticamente no alteran las posiciones de los núcleos, pero si pueden generar transiciones a niveles energéticos más altos. Por otra parte, dado que dicho comportamiento se encuentra generalmente en sólidos covalentes cristalinos de naturaleza semiconductora, el traslape de orbitales moleculares en la estructura periódica genera un potencial periódico dentro del sólido, el cuál se traduce a la formación de un bandgap que no permite la transición de electrones entre la banda de valencia y la banda conductora con el mismo momento cristalino. Es decir, para que exista una promoción de bandas, un fotón debe promover la energetización del electrón, mientras que el fonón (excitación colectiva en un arreglo periódico y elástico en un sólido o líquido) debe transferir el momento. Por lo tanto, la absorción de fotones por un sólido perturba el equilibrio de distribución de electrones, formando un gradiente alejado de la superficie. ​
Imagen 3​
: Transiciòn electrónica por absorción fotónica (izquierda). Transición de electrónica de la banda de valencia a la banda de conducción por la absorción energética de un fotón y la transferencia de momentum por los fonones (derecha). Referencias ●
●
●
●
●
Wikipedia (2015). ​
Direct and indirect band gaps ​
. Revisado el 3 de Mayo de 2015 de https://en.wikipedia.org/wiki/Direct_and_indirect_band_gaps Schiavello M. (1997). ​
Heterogeneous Photocatalysis​
. Palermo, Italia. Library of Congress Cataloging­in­Publication Data editado por Wiley. Wells A.F (1978). Química inorgánica estructural. Capítulo 6, págs 210­213. Editorial Reverté. Mineralogy Database (1997­2014).​
Anastase Mineral Data Mineralogy Database (/1997­2014). ​
Rutile Mineral Data Mandujano Negrete V. Joely
Valencia Cruz Steven
LÁSERES EN ESTADO SÓLIDO
La palabra láser corresponde a las iniciales de "Light Amplification by Stimulated Emisión of
Radiation" (luz amplificada por la estimulación de emisiones de radiación). Un láser es un
generador de luz y un amplificador que genera una sola longitud de onda o color de luz.
La emisión de luz por estimulación tiene dos características. Primero, una inversión de la
población electrónica es creada y su decaimiento del estado excitado toma lugar mucho más
lentamente que lo esperado para la emisión espontánea y permite el bombeo de un exceso de
electrones hacia el estado excitado, proporcionando más electrones en este estado, que en el
estado basal. Segundo, los electrones en el estado excitado son estimulados a decaer y emitir
radiación de una cierta energía por un fotón incidente de la misma
energía. Si existe un número grande de electrones en el estado
excitado, un efecto en cascada ocurre, generando un haz intenso de
radiación monocromática que está en fase y es coherente.
Usando un sistema de espejos en el diseño del láser, el material del
que está hecho es re-irradiado con los fotones que acaban de ser
liberados por emisión espontánea; esto dispara el proceso de
emisión por estimulación. La radiación láser se caracteriza por un
alto grado de cromaticidad, coherencia, direccionalidad y
brillantez. A estas propiedades se puede agregar una quinta, la
capacidad de producir pulsos de luz muy cortos.
Tiempo
Imagen 1. Coherencia y pulso
corto
Medio
Rubí
Nd-YAG
Principales
longitudes
de onda
694 nm
1.064 µm
Un láser necesita un medio que presente la estructura de nivel de
energía deseada para permitir el efecto láser. El medio puede ser
un gas, un cristal sólido aislante, un líquido ó un cristal
semiconductor, por consiguiente, se tienen láser de estado sólido
(ver tabla 1), láser gaseoso, láser coloreado y láser semiconductor,
etc.
Salida
Modo
Eficiencia
típica %
30mJ-100J
10mJ-150mJ
Pulsos
Pulsos
0.5
1-2
Diámetro
del haz
típico (mm)
5-10
1-10
Tabla1. Características de los láseres de Estado Sólido
El uso del término “laser de estado sólido” esta generalmente reservado para aquellos láseres
que tienen como especies activas iones introducidos como impurezas en un material huésped
transparente. Iones provenientes de una de las series de los elementos de transición de la tabla
periódica, en particular de las tierras raras o iones de los metales de transición, son usados
mayormente como las impurezas activas. Por otro lado, para los materiales huésped, tanto
óxidos, por ejemplo, Al2O3; como fluoruros, como YLiF4, son los más comúnmente utilizados.
Una comparación entre los óxidos y fluoruros, muestras que los primeros tienen ventaja de ser
más duros, con propiedades mecánicas y termo-mecánicas mejores. Los segundos en cambio,
muestran mejores propiedades termo-ópticas. Vidrios tanto de la familia de los silicatos
(basados en SiO2), o de los fosfatos (basados en P2O5), han sido utilizados solamente para
hospedar iones de los elementos de las tierras raras. Comparados con los cristalinos, muchos
vidrios tienen temperaturas de fusión mucho más bajas y, por lo tanto, son más fáciles y baratos
de fabricar, incluso en dimensiones más grandes. Sin embargo, este tipo de láseres tienen menor
conductividad térmica, lo cual genera peores propiedades termo-mecánicas y termo-ópticas.
Láseres de rubí
El láser de rubí fue el primer dispositivo emisor continuo de luz coherente. Los rubíes
empleados en los láseres son piedras preciosas o gemas sintéticas. Se obtienen fundiendo óxidos
de aluminio y cromo para formar grandes cristales. El rubí es corindón (una forma de Al2O3)
con un 0.04-0.5% de iones Cr3+ como impurezas reemplazando iones de aluminio, por lo que
los iones cromo ocupan sitios octaédricos distorsionados.
Cabe resaltar que de esta pequeña cantidad de cromo depende
el funcionamiento del láser, puesto que se tiene que los
niveles 3d del ion cromo estarán desdoblados. Además el
Cr3+ tiene tres electrones 3d y, en el estado basal, éstos
ocupan orbitales individuales con espines apareados. Cuando
se absorbe luz, uno de estos electrones puede sufrir
transiciones a un nivel 3d de mayor energía. Teniéndose así,
que los iones absorben la luz y sus electrones pasan a los
estado 3 y 4 (tal como se muestra en la imagen 2). Luego
experimentan una transición no radiactiva al estado 2. Como
la probabilidad de una emisión espontánea en estado 2 es baja
y no hay una ruta conveniente no radiactiva hacia el estado Imagen 2. Estados del ion Cr3+ que
basal, se puede acumular una población considerable en el participan en la transición en el
estado 2. Cuando algunos iones en estado 2 regresan al láser de rubí.
estado basal (aproximadamente 5 milisegundos después), se
emiten espontáneamente los primeros fotones.
Los fotones resultantes estarán en fase con
los fotones espontáneamente emitidos y
viajarán en la misma dirección, e inducirán
emisiones adicionales conforme viajen a
través del rubí, el cual estará en una
concavidad reflectora de manera que los
fotones se reflejen de nuevo hacia los
cristales cuando lleguen al borde. Los
fotones reflejados inducen una emisión
adicional y es así como se forma un haz
apreciable de luz coherente.
Imagen 3. Láser de rubí (arriba), Luz coherente emitida por
éste (abajo)
Además de rubí, actualemnte se emplean
otros cristales, tales como la fluorita (con
iones Nd3+, Sm3+,Ho3+), óxido de calcio y
tungsteno (IV) (con iones Nd3+).
Bibliografía
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Piezoeléctricos
Los piroeléctricos son materiales en los que se
observa un cambio de la polarización eléctrica
dependiente de la temperatura. Estos materiales
a su vez contienen a los materiales
ferroeléctricos.
Guzmán Espinoza Carlos Víctor
Eduardo Martín Rico Sotomayor
¿Cuándo
se
piezoeléctricos?
descubrieron
los
El efecto de piezoelectricidad fue descubierto
por los hermanos Curie en 1880 aunque ya
habido intentos no concluyentes de sugerir una
relación entre el estrés mecánico y la
electricidad.
Ferroeléctricos
Piroeléctricos
Piezoeléctricos
Ellos establecieron, además, la relación entre la
piezoelectricidad y la simetría de los materiales,
pero Woldemar Voigt la determino más
rigurosamente en 1894.
¿Qué es un piezoeléctrico?
Un piezoeléctrico es un sólido cristalino sin
centro simétrico en su estructura. Cuando son
sometidos a un estrés, estos materiales exhiben
polaridad eléctrica, que implica un cambio de
potencial y a su vez resulta en conducción
eléctrica. La relación entre la fuerza externa
aplicada en un piezoeléctrico F y su polarización
P es una relación lineal:
𝑃𝑖 = 𝑑𝑖𝑗 𝐹𝑗
Donde d es el coeficiente piezoeléctrico. Por
ende, también, al aplicar un campo eléctrico a un
material piezoeléctrico, éste sufrirá una
deformación mecánica.
La distorsión que sufre la simetría de un cristal
por influencias de una fuerza externa resulta en
una distribución de cargas diferente, la imagen
muestra que hay cargas opuestas que están
más lejos unas de otras lo cual genera una
diferencia de potencial, y a su vez genera una
intensidad de corriente.
Dado que el fenómeno piezoeléctrico depende
de la estructura y simetría del material un cambio
en ésta afecta las propiedades piezoeléctricas.
Estos cambios, por ejemplo, se dan en las
diferentes fases del material, (las fases de los
materiales en general son dependientes de la
temperatura) por lo tanto habrá temperaturas a
las cuales el material se encontrará en una fase
que no presente propiedades piezoeléctricas.
Aplicaciones
Un ejemplo cotidiano del uso de un
piezoeléctrico son los encendedores eléctricos,
estos utilizan un material piezoeléctrico al cual
se le aplica una presión para generar una
diferencia de potencial y a su vez una chispa que
enciende el gas.
Ejemplos más sofisticados incluyen desde
proyectos de pistas de baile que alimentan la
energía del club con los pasos de la gente,
caminos pavimentados con piezoeléctricos que
carguen baterías y alimenten más tarde el
alumbrado
público.
Hasta
cosas
tan
complicadas como el uso médico de ultrasonido
generado por los cambios de presión en el
material producto de la aplicación de una
diferencia de potencial.
tres dimensiones, y un alineamiento automático
de la polarización durante el proceso. Esto hace
que el resultado de la síntesis sea un filme
piezoeléctrico de alta calidad
La síntesis por método sol-gel tiene la ventaja
que el producto es de alta pureza,
homogeneidad y hay un mayor control macro y
micro en las estructuras además de una
temperatura baja de reacción.
Referencias.
http://www.sustainabledanceclub.com/technolo
gy consultado 9/5/2016
Cheetam A.K., “Solid State Chemistry”, Oxford
University Press, 1ra ed, Inglaterra, 1992.
West Anthony R., “Solid State Chemistry and its
Aplications”, John Wiley and Sons, 3ra,
Inglaterra, 1992.
journal of materials science 20 (1985) 44794483
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2010,
doi:10.3390/ma3125236
3,
5236-5245;
J. Acoust Soc. A m.7 0(6), Dec.1981
¿Cómo se sintetizan
piezoeléctricos?
los
materiales
La síntesis de materiales piezoeléctricos se
puede llevar a cabo por medio de distintos
métodos como:
 Síntesis solvotermal
 Sol-gel
La síntesis solvotermal tiene la ventaja sobre el
método
cerámico
para
síntesis
de
piezoeléctricos como la baja temperatura de
reacción, la disponibilidad del sustrato en las
Ultrasound
2011;
19:
10.1258/ult.2011.011027
187–196.
DOI:
Química del Cemento
Pablo Arturo Aguilar Rodríguez
Emmanuel Alejandro García Villatoro
Introducción
Los componentes del cemento son materiales comunes
como arena, yeso y agua. Los antiguos romanos
producían morteros usando una mezcla de cal, ceniza
volcánica y arcilla triturada. El arte del cemento romano
se perdió por siglos y no hubo ningún avance hasta 1756
con la creación del cemento Portland compuesto de 63%
CaO [C], 20% SiO2[S], 6% Al2O3 [A] y 3% Fe2O3[F]. A nivel
molecular el cemento es una pasta de hidratos de silicato
de calcio polimerizados en una matriz densamente
reticulada. Su propiedad más importante es llamada
hidraulicidad: la habilidad de fijarse y permanecer
insoluble en agua. 2
Formación del cemento
Es vital para el propósito de este documento hablar del
componente principal del cemento, el Clinker. El Clinker
es un material sólido rocoso que una vez molido se
convierte en el elemento reactivo del cemento.
Un polvo de cemento de calidad requiere la presencia de
dos componentes mayores, silicato tricálcico [C3S:
3CaO∙SiO2] y silicato dicálcico [C2S: 2CaO∙SiO2]. Estos
materiales reaccionan violentamente en agua para
producir la pasta de cemento. De los dos el silicato
tricálcico es más deseable porque se hidrata y fija mucho
más rápido que el silicato dicálcico (horas contra días).
Aunque es posible producir C3S usando una mezcla de
CaO y SiO2 (30% SiO2) se opta mejor por agregar alúmina
logrando así trabajar en fase líquida a una temperatura
de 1500°C (2200°C sin alúmina). Esto se logra ya que se
modifica la temperatura de estabilidad del C3S y al
formarse el mineral etringita este funde a 1450 °C,
llevándose a cabo las reacciones en el seno del líquido.
Se añade una figura que muestra la evolución de la
reacción a diferentes temperaturas2.
Proporción en masa
Pocos no estarían de acuerdo de que el concreto es un
importante y útil material, después de todo, el concreto
es la columna vertebral de la infraestructura mundial, es
de hecho el segundo material más consumido en el
mundo después del agua. Tan solo en el 2006 se usaron
entre 21 y 31 mil millones de toneladas de cemento en el
mundo.1
25°C
Hidratación del cemento
Este proceso comienza con la disolución del C3S. Iones
oxígeno en la superficie de la red del C3S reaccionan con
protones del agua y forman iones hidróxido que a su vez
se combinan con iones Ca2+ para formar Ca(OH)2. Los
compuestos disueltos se combinan para formar gel de
silicato de calcio hidratado [CSH: (CaO)x∙SiO2∙yH2O, x<1.5]
en solución solida con Ca(OH)2.
La mayoría de los polvos de cemento tienen yeso (CaSO4)
que es añadido antes de envasarse. El yeso actúa para
retrasar el período de pre-inducción para evitar un
fraguado rápido del cemento. El yeso reacciona con
aluminato tricálcico (Ca3Al2O6) para formar varios
aluminatos y la fase sulfoaluminada es comúnmente
llamada fase etringita.
Después de algunos minutos de hidratación el período de
inducción comienza donde la reacción se ralentiza
significativamente. La razón exacta de este período de
inducción no se conoce. Una teoría afirma que la capa de
CSH cubre rápidamente la superficie de la disolución de
C3S, retrasando la reacción. En cualquier caso, el período
de inducción se produce y varía en tiempo, dependiendo
del tipo de cemento y la aplicación deseada, que suele
durar varias horas. Esta propiedad de hidratación del
cemento es lo que hace que sea fácil de usar como
material de construcción pues es un semi-sólido que
puede verterse fácilmente en la forma deseada. A
menudo los geles acuosos son semisólidos debido a la
interacción entre las moléculas de agua y las superficies
de las partículas. Al mezclar el sistema se le proporciona
energía para superar estas interacciones y permite que
sea más fluido. Se requiere mezclar constantemente
para mantener el material en un estado fluido.
Después de la inducción, la velocidad de reacción se
acelera. En este punto, los procesos de hidratación están
limitados por la nucleación y crecimiento de los
productos de hidratación. Esta etapa de aceleración se
caracteriza por una rápida hidratación de C3S, seguido
lentamente por la hidratación del C2S. Durante este
proceso, el hidróxido de calcio alcanza su máxima
concentración en la solución y, comienza a precipitar
como hidróxido de calcio cristalino. A medida que la
solución se concentra con producto sólido la velocidad
de hidratación disminuye y se convierte en una difusión
controlada. La velocidad disminuye a tasas
insignificantes, pero continúan durante semanas como
gel de CSH.
Estructura
El endurecimiento del cemento o concreto es causado
principalmente para la formación de puentes Si-O-Si. La
estructura del cemento fijo es complicada, estudios de
RMN de 29Si indican que el cemento tiene estructuras
cercanas a la de los minerales Tobermorita y Jennita2
estos minerales se caracterizan por capas de óxido de
silicio polimerizado y reticulado con óxido de calcio o
hidróxido de calcio. El cemento presenta una red de
poros capilares de entre 50 y 1000 nm que se extiende
por todo el sistema actuando como canales entre varios
componentes del sistema.
En su forma final, el cemento es una suspensión de
hidróxido de calcio, etringita, y los materiales del clinker
sin reaccionar en una solución solida de pegamento
mineral llamado CSH.
El cemento es el principal constituyente del concreto
actuando como agente de unión. Al agregarse agua al
cemento y agregado grueso como grava resulta en
concreto. La calidad del concreto es determinada en gran
medida por la ratio de cemento y agua4. Es la facilidad de
producción a partir de materiales comunes, fuerza y
adaptabilidad que han convertido al concreto en el
material más importante para la construcción alrededor
del mundo.
Referencias
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Business Council for Sustainable Development.
2009. Pag. 7
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414-415
Semiconductores Transparentes 2016
Las sustancias cuya conductividad es pequeña a bajas temperaturas pero aumenta con el
calor, la luz o la adición de ciertas impurezas, se denominan semiconductores. El
germanio y el silicio en estado elemental, poseen una energía en la cual no pueden
conducir la electricidad, y es conocida como band gap. Así mismo, estos elementos
pueden ser inducidos por medio de otro elemento que interfiera en la transición a lo largo
del band gap, a los cuales se les conoce como semiconductores intrínsecos. Para
describir estas propiedades hacemos uso de los términos de la denominada teoría de
bandas.
Características Químicas y Estructurales.
Muchos de los semiconductores más importantes son óxidos. Los Óxidos Conductores
Transparentes (TCO) son semiconductores que son simultáneamente transparente y
altamente conductores. La estructura cristalográfica es policristalina o amorfa. Los
primeros TCO investigados fueron los CdO en polvo compacto y en forma de película
delgada .Los (TCO) más populares
son los ITO (Óxidos de Indio y
Estaño). El término ITO significa una
variedad de materiales de Óxido de
Indio, dopado con Sn estando
típicamente en una proporción en un
rango del 5 al 10%, aunque esto no
está estrictamente definido. La
estructura Cristalina del In2O3 se
muestra en la Fig. 1.0. El efecto de
remplazamiento de átomos de Indio por átomos de Estaño en la estructura de In2O3,
modifica sus propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas de este llamado ITO.
Descripción Sustancial del fenómeno.
Los óxidos de Indio Estaño (ITO) In2O3 están dopados con diez por ciento en masa por
SnO2 para formar un semiconductor tipo n. El material es transparente en la región del
visible, y es conductor de la electricidad. El material es depositado sobre superficies de
películas delgadas por una gran variedad de métodos tales como deposición física de
vapor y pulverización de bombardeo de iones. Los principales usos de estas películas son
como revestimientos conductores transparentes de cristales líquidos y pantallas de
plasma, paneles táctiles, celdas solares y diodos orgánicos emisores de luz (LED). El
punto de fusión de los (ITO) es de 1900°C. Las vacancias de Oxígeno en la estructura son
las que que se atribuyen tradicionalmente como la causa de la conductividad en los TCO,
así como otros defectos nativos inherentes de estos materiales, y otros defectos
complejos considerados.
Para comprender de una mejor manera el funcionamiento de los semiconductores
transparentes, consideremos un polímero LED típico que se construye sobre un sustrato
García Arellano José Alberto
Martínez Nicacio Javier Omar
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Semiconductores Transparentes 2016
de vidrio. La parte inferior es una capa de conductor
metálico transparente (ITO) la cual actúa como un
electrodo (Fig. 2.0).
Además de todo esto hay una capa de polímero
conjugado sin dopar como polifenilenvinileno y encima
un metal fácilmente ionizado tal como Ca, Mg/Ag ó Al.
Dicho metal forma el segundo electrodo. Para actuar
como un LED, se aplica una diferencia de potencial a
través de los dos electrodos de tal forma que la capa
de ITO está cargada positivamente. En la interfaz
ITO/polímero, el movimiento de los electrones va del
polímero a la capa de ITO, pues son atraídos por la
carga positiva. Esto deja huecos en la banda de
energía más baja. Al mismo tiempo, los electrones del
segundo electrodo cargado negativamente se mueven
en el polímero y viajan hacia la capa del ITO. Cuando
un electrón tal alcanza una región del polímero cuando existen vacantes en la banda de
energía más baja, puede saltar a esta banda de emisión de luz como lo hace. La longitud
de onda de la luz como un semiconductor led dependerá del band gap.
Descripción de la Teoría que lo fundamenta.
La propiedad de la transparencia en un sólido semiconductor deviene en la teoría de
bandas por del efecto fotoeléctrico, debido a que la energía que la red cristalina absorbe
de sus alrededores por medio de radiación electromagnética provoca una transición
electrónica en el banda gap, generando una corriente eléctrica.
Cuando el fotón es absorbido por la red cristalina, la longitud de onda del fotón emitido no
se encuentra en el rango del visible, por lo que el sólido se mantiene en condiciones en
las que las características ópticas del medio, no contribuyen a la conducción.
Por su parte, el band gap permite que la absorción de radiación sea de tal manera que el
sólido sea transparente desde la radiación IR (y energías más bajas) hasta la luz UV, esto
es, la absorción de la radiación incidente no es muy poca, a comparación de cuando el
sólido adquiere color. El band gap determina la energía que el sólido debe absorber para
comenzar a ser opaco, por lo cual, en la energía por debajo de dicho valor, dicho sólido
conserva dicha condición.
Es así como los defectos y la concentración de impurezas (elementos ajenos a la celda
original) que pueda contener un sólido, determina la energía con la cual el band gap se
mantenga en los estándares del material.
En efecto de la barrera energética para la emisión de luz, los semiconductores
transparente tienen un amplio uso, debido a que la energía de los fonones, los cuales son
vibraciones producidas dentro de la red cristalina, requieren de una mayor temperatura
García Arellano José Alberto
Martínez Nicacio Javier Omar
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Semiconductores Transparentes 2016
para contribuir con la conducción en el sólido, por lo que estos materiales son utilizados
como dispositivos de electrónica como constituyentes del ánodo en diversos tipos de
LED’s, incluidos un tipo particular que son los LED’s orgánicos, los cuales son construidos
a base de polímeros que están constituidos por enlaces pi conjugados, que permiten una
movilidad de huecos a través de la deslocalización electrónica, lo cual obliga a tener un
mejor control en los huecos que se transportan a lo largo del diodo.
Los métodos de síntesis, dadas las dimensiones en las cuales se debe de encontrar el
material entre los más ocupados son las rutas de sol-gel y la deposición de vapor que se
emplean para la producción de películas delgadas, dado, que en ambas situaciones, los
precursores de los reactivos ofrecen la ventaja de controlar mediante la temperatura (en el
primero una especie de gel proveniente de alcóxidos del metal que se quiere reaccionar
se deshidrata mientras que en la segunda las moléculas que contienen al compuesto de
interés se descompone en fase gaseosa).
Bibliografía
-West A., Basic solid state chemistry, Ed. John Wiley and sons, 2º ed, 2003, Gran
Bretaña, p.p. 414-415, 426-427
-Smart L., Solid state chemistry an introduction, Ed. Chapman and hall, 1º ed, 1992, Gran
Bretaña, p.p. 83-87, 221-225
-West A., Solid state chemistry, Ed. John Wiley and sons, 1º ed, 1992, gran Bretaña, p.p.
521-523-8
-Ellmer K, Transparent conductive Zinc oxide, Ed. Springer Berlin Heidelberg, 1ºed, 2008,
p.p. 1-2, 79-80 http://link.springer.com.pbidi.unam.mx:8080/book/10.1007%2F978-3-54073612-7
-Fahlman B, Materials chemistry, Ed. Springer Netherlands, 1º ed, 2011, p.p 18, 239, 326328 http://link.springer.com.pbidi.unam.mx:8080/book/10.1007%2F978-94-007-0693-4
-P D C King & T D Veal Conductivity in transparent oxide semiconductors J. Phys.:
Condens. Matter 23 (2011) 334214 (17pp) http://iopscience.iop.org/0953984/23/33/334214
-David S. Ginley. Handbook of Transparent Conductors Ed. Springer.
- Marius Grundmann. The Physics of Semiconductors An Introduction Including
Nanophysics and Applications Third Edition Springer Chapter 20 Transparent Conductive
Oxide Semiconductors, p.p. 575-579
García Arellano José Alberto
Martínez Nicacio Javier Omar
Página 3
9 de Mayo de 2016
Florido Ortega Sara Maetzin Margarita
Márquez Avilés Raúl
SUPERCONDUCTORES
Si el mercurio se enfría por debajo de 4.1 K,
pierde
toda
resistencia
eléctrica.
Este
descubrimiento de la superconductividad por H.
Kammerlingh Onnes en 1911 fue seguido por la
observación de otros metales que presentan
resistividad cero por debajo de una cierta
temperatura crítica. El hecho de que la
resistencia es cero ha sido demostrada
manteniendo corrientes superconductoras en
anillos de plomo durante muchos años sin una
reducción medible.
Una de las propiedades de un superconductor es
que omite los campos magnéticos, fenómeno
llamado “efecto Meissner”.
La desaparición de la resistividad eléctrica fue
modelada en términos de emparejamiento de
electrones en la red cristalina por John Bardeen,
Leon Cooper y Robert Schrieffer en lo que
comúnmente se llama la teoría BCS para
superconductores tipo I.
Tomado de:
http://noticiasmasmas.com/la-proxima-evolucion-o-revolucion-en-lasuperconductividad/
La combinación de no resistencia y el
diamagnetismo perfecto, resulta en una distinción
clara entre un superconductor y un “conductor
perfecto” (el cual tiene la omisión de resistencia
como única propiedad de transporte).
Imagen 2. Experimentos hipotéticos que muestran la diferencia
entre un superconductor y un conductor perfecto.| Experimento 1.
Muestra enfriada sin campo magnético externo el cual es
posteriormente aplicado. Experimento 2. Muestra enfriada en un
campo magnético.
Efecto Meissner
Cuando un material realiza una transición del
estado basal al estado superconductor, este
excluye activamente campos magnéticos de su
interior, esto es llamado efecto Meissner.
Esta limitación al campo magnético cero dentro
de un superconductor es distinta del
diamagnetismo perfecto que surge de su
resistencia eléctrica cero, la cual implicaría que si
se trató de magnetizar un superconductor, se
generarían bucles de corriente para cancelar
exactamente el campo impuesto (ley de Lenz).
Pero si el material ya tenía un campo magnético
constante en él cuando se enfrió a través de la
transición superconductora, se esperaría que el
campo magnético sea continuo. Si no hubiera
cambio en el campo magnético aplicado, no
habría voltaje generado (ley de Faraday) para
conducir las corrientes, incluso en un conductor
perfecto. Por lo tanto la exclusión activa de
campo magnético debe ser considerado como un
efecto distinto de cero resistencia. Un estado
mixto del efecto Meissner se produce con
materiales de tipo II.
Imagen 3. Curva de magnetización reversible de un superconductor
cilíndrico tipo II. El campo magnético es aplicado paralelo al eje del
cilindro.
Una de las explicaciones teóricas del efecto
Meissner proviene de la ecuación de London.
Esto demuestra que el campo magnético decae
exponencialmente
en
el
interior
del
superconductor sobre una distancia de 20 a 40
nm. Se describe en términos de un parámetro
denominado profundidad de penetración London
(London penetration depth).
Superconductores tipo II
Los superconductores hechos de aleaciones son
llamados superconductores de tipo II. Además de
ser mecánicamente más duros que los
superconductores de tipo I, exhiben mayores
campos magnéticos críticos (Valor del campo
magnético a partir del cual un superconductor
que está a una temperatura fija inferior a su
temperatura crítica pasa al estado basal). Los
superconductores de tipo II normalmente existen
en un estado mixto de regiones normales y
superconductoras.
Los semiconductores tipo II también conocidos
como semiconductores extrìnsecos están hechos
mediante la introducción de diferentes átomos,
llamados átomos dopantes , en el cristal. Este
tipo de materiales extrìnsecos se pueden
clasificar de dos maneras:
❖ Tipo n: Los átomos dopantes añadidos al
cristal semiconductor en este caso son
átomos donantes.
❖ Tipo p: Los átomos dopantes en este
caso son átomos aceptores.
Por ejemplo: Cuando se agregan átomos
pentavalentes (donador), como el As, al
germanio, se forman enlaces covalentes con los
átomos de Ge. En la Fig. 7 se ve el esquema de
una red cristalina de Ge, en el que un átomo de
Ge ha sido reemplazado por uno de As. Como se
sabe, la estructura electrónica del As
([Ar]3d104s23p3) es similar a la del Ge
([Ar]3d104s24p2), solo que el As posee un
electrón adicional en su capa externa. No
obstante, el As puede aún formar enlaces
covalentes con el Ge, como se observa en la
figura.
Imagen 4. Derecha: Cristal de germanio en el que un átomo de Ge
ha sido reemplazado por uno de As. Izquierda; Cristal de germanio
en el que un átomo de Ge ha sido substituido por uno de Ga.
Consecuentemente, en este caso, el átomo de As
adquiere una carga positiva, dejando un electrón
disponible para la posible conducción en la red.
Este proceso da por resultado un semiconductor
de Ge cuyas propiedades han sido modificadas,
pues
en
el
semiconductor
formado
(semiconductor extrínseco), hay más electrones
disponibles y el material se denomina ahora
semiconductor tipo n.
En forma similar, si la impureza agregada son
átomos trivalentes (aceptor), como el Ga
([Ar]3d104s2 4p 1 ) o el In([Kr]4d 105s 2 5p 1 ),
se forman nuevamente enlaces covalentes2 con
el Ge, pero ahora se tendrán cargas positivas
disponibles (huecos), ya que el aceptor (Ga, por
ejemplo), solo tiene un electrón en su capa más
externa. De la misma forma, cuando se agrega
como impureza átomos de Ga a la matriz de Ge,
se forma otro semiconductor extrínseco, al cual
ahora se le denomina semiconductor tipo p.
Al agregar, en forma controlada, alguno de los
dos tipos de impurezas a una matriz de germanio
(muy puro), se dice que el germanio ha sido
dopado. Para poder entender estos dos
fenómenos, hay que hacer referencia a la Fig. 8,
en
la
cual
se
ven
dos
esquemas
(correspondientes a cada caso). Cuando se dopa
un semiconductor (intrínseco), las bandas de
valencia y de conducción se hallan más cerca
que en el material original. Esto significa que la
barrera de energía. (banda prohibida), se ha
reducido, siendo ahora menor a 0.7 eV, en el
caso del germanio.
electrones se encuentren disponibles para la
conducción (disminución de la resistencia del
material). En un material tipo p, por otro lado, la
conducción se da por transportadores de carga
positiva (huecos), que se "mueven" hacia la
terminal negativa del circuito (flujo de corriente
por huecos).
Imagen 7. Flujo de corriente en un material tipo n.
Imagen 5. Niveles de energía de las impurezas donadoras y
aceptoras de electrones.
Flujo de corriente en materiales tipo n y p.
En
un
espécimen
puro
de
material
semiconductor, hay (como ya se indicó) el mismo
número de portadores de carga de ambos tipos
(huecos y electrones), por lo que el material es
en esencia neutro. Sin embargo, cuando un
semiconductor intrínseco es dopado, aunque
siempre exista la presencia de ambos tipos de
conducción, el tipo de impureza determinará la
predominancia de una clase de conducción u
otra. Si el material es dopado con la impureza
donadora de electrones, la conducción será
predominantemente electrónica (material tipo n),
pero si el material ha sido dopado con una
impureza aceptora de electrones, la conducción
será predominantemente por huecos (material
tipo p).
Similarmente al caso de un metal, la aplicación
de voltaje en un material tipo n, causará que un
electrón débilmente ligado al átomo de impureza,
se mueva hacia un punto de potencial positivo
―flujo de corriente electrónica (Fig. 10). Pero, en
forma inversa a lo que sucede en el metal, un
incremento en la temperatura permite que más
Imagen 8. Flujo de corriente en un material tipo p.
Referencias

Superconductivity. Ketterson J. B., Song
S.N. Cambridge University. United Kingdom.
1999. first edition. pp 2, 25.

http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/c
ondsemicondais2_27505.pdf-“ Conductores
semiconductores y aislantes”, Farrera Luis,
pp. 4, 5 y 6.

http://www.eng.umd.edu/~dilli/courses/enee
313_spr09/files/supplement1_carrierconc.pd
f- “Intrinsic and Extrinsic Semiconductors,
Fermi-Dirac Distribution Function, the Fermi
level and carrier concentrations”, Zeynep
Dilli, Oct. 2008, rev. Mar 2009, pp. 3

http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbase/s
olids/scond.htm
SUPERCONDUCTORES TIPO I
Eduardo González Cervantes y José Francisco Amador Molina
Todos los materiales, aún los que son mejores conductores eléctricos, ofrecen cierta
resistencia al flujo de portadores de carga a través de su estructura, por lo que es necesario
aplicar un campo externo para producir y mantener una corriente eléctrica en el material.
Un superconductor es un material que tiene una resistencia eléctrica igual a cero bajo
ciertas condiciones y rechaza completamente un campo magnético, es decir que un
superconductor funciona como un perfecto diamagneto esto se conoce como el efecto de
Mesmer o Meisner-Ochsenfeld.
Sin embargo, en 1911 un físico neerlandés llamado Kamerlingh Onnes observó un
fenómeno muy extraño al enfriar mercurio hasta temperaturas cercanas al helio (-4 K). Se
percató de que a esas temperaturas tan bajas el mercurio no ofrecía resistencia alguna al
movimiento de portadores de carga dentro de sí mismo. A este estado del material Onnes le
denominó como superconductividad por esta peculiaridad de presentar R=0Ω.
Resulta que algunos materiales a condiciones específicas de temperatura, campo magnético
e intensidad de corriente presentan este estado de superconductividad. En este estado no
solamente la resistencia es nula, sino que además los materiales excluyen el campo
magnético externo, es decir, se vuelven diamagnéticos perfectos. En el caso de los
superconductores tipo I existe una y solo una temperatura crítica que, al excederla en lo
más mínimo, se pierde de manera abrupta el estado de superconductividad.
Ahora se sabe que el origen de los superconductores es debido a las interacciones entre los
electrones y las vibraciones de los átomos en la red (conocidas como fonones, cuasi
partículas que fungen como modos cuantizados vibratorios) se produce una cierta atracción
efectiva muy pequeña entre los electrones, resultando en que los electrones forman pares
ligados, denominados pares de Cooper. Estos pares ligados formados de dos fermiones
actuarían como bosones, permitiendo así que las funciones de onda correspondientes a cada
par sean idénticas y que cada uno de los pares pueda estar en el mismo estado de mínima
energía.
La energía de apareamiento de los electrones es excesivamente débil, por ello un ligero
aumento en la temperatura del material vence la atracción entre electrones (y termina con el
estado superconductor). Por el contrario, un descenso en la temperatura produce el estado
superconductor debido a que a temperaturas tan bajas los átomos de la red y los pares de
Cooper presentes en la misma solo se manifiestan en estados cercanos al basal.
Cuando se habla de estos pares no se debe cometer el error de pensar que ambos electrones,
al estar apareados, forman y se comportan como una partícula puntual. Los electrones que
forman el par están, en realidad, separados a una gran distancia, de modo tal que la
separación entre cada par es menor que el tamaño de un único par.
Bardeen, Cooper y Schrieffer fueron quienes dieron una buena explicación del porqué los
electrones forman pares e hicieron una estimación de la energía necesaria para formarlos (y
ganaron un Nobel en 1972 por ello).
Cuando los materiales alcanzan este místico estado no necesariamente lo manifiestan de
una misma forma, por ello se agrupan en superconductores tipo I y superconductores tipo
II.
De nuestro interés son las características de los superconductores de tipo I solamente y a
continuación se enuncian:


Todos los superconductores tipo I son elementos puros.
Poseen una única temperatura crítica, Tc, por debajo de la cual el estado de
superconductor se manifiesta, y desaparece si se le rebasa en lo más mínimo de
temperatura. Esta transición de estado superconductor a conductor se da de una
manera brusca e inmediata (Como en el caso del Galio, que pierde el estado de
superconductividad apenas y se rebasa por 2x10-5 K la temperatura crítica).

H0 es el campo magnético súper crítico a 0K en los materiales del tipo 1, las
condiciones de temperatura y de campos magnéticos dentro de la envoltura creada
por Hc y Tc, hacen posible la súper conductividad. La mayoría de los
superconductores del tipo 1 pierden su comportamiento de superconductor incluso
en campos magnéticos muy débiles.

En todos los superconductores de tipo 1, la superconductividad es estable hasta un
cierto campo magnético Hc.
Su temperatura crítica es excesivamente bajas, ninguna de ellas le tomó fotografía.
Al aplicar un campo magnético externo el material crea su propio campo magnético
para contrarrestarlo, a este fenómeno se conoce como efecto Meissner. Y existe un
campo magnético crítico que, si se sobrepasa, se pierde de manera súbita el estado
superconductor
Todos los conductores tipo I pueden ser explicados en términos de la teoría de
Cooper, Bardeen y Schrieffer,



BIBLIOGRAFÍA:
- Feynman, Richard. Leighton, Robert B., Física, Volumen 3: Mecánica cuántica, AdisonWesley Iberoamérica, Massachussets, 1965, págs.: 21-9 - 21-13.
- Dougherty, Ralph. Kimel, J. Daniel, Superconductivity revisited, CRC Press, Florida,
EUA, 2013, págs.: 119-126, 135-141.
- Askeland, Ciencia e Ingenieria de los Materiales, 4ª edición 2004 pag. 804-806.
Sinecio Ontiveros Mónica Itzel
Fecha de entrega: mayo 9, 2016
Tecnología LED
Un led es un componente optoelectrónico pasivo y, más concretamente, un diodo semiconductor
que al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz. Los diodos semiconductores son
componentes electrónicos constituidos por varias capas de materiales semiconductores, cada una
compuesta por una capa que cuenta con un exceso de electrones negativos, otra con un defecto de
electrones, que funciona como si tuviera huecos de carga positiva, y una neutra que los separa.
Cuando se aplica una corriente, los electrones de la primera capa son atraídos hacia la de huecos
positivos, creando luz.
Es decir que en un LED, la electricidad se convierte directamente en fotones o partículas de luz,
mientras que en otras fuentes la mayor parte de la electricidad se transforma en calor y sólo una
pequeña parte en luz. En los focos incandescentes la corriente eléctrica se utiliza para calentar un
filamento que emite luz. El gas que contienen las lámparas fluorescentes produce tanto luz como
calor. Los LED requieren mucho menos energía para emitir luz, lo que los hace muy eficientes.
La longitud de onda que produce un LED, y por lo tanto su color, depende del semiconductor
utilizado. Hace más de 50 años se conocen los diodos que emiten luz verde y roja, pero era
indispensable diseñar una que emitiera luz azul para obtener la tríada necesaria para producir luz
blanca. En 2014 el premio Nobel de Física fue otorgado a los científicos japoneses Isamu Akasaki,
Hiroshi Amano y Shuji Nakamura por haber inventado el LED azul.
El fenómeno de emisión de luz está basado en la teoría de bandas. El funcionamiento físico consiste
en que, en los materiales semiconductores, un electrón al pasar de la banda de conducción a la de
valencia, pierde energía; esta energía perdida se puede manifestar en forma de un fotón
desprendido, con una amplitud, una dirección y una fase aleatoria. Cuando Al polarizar directamente
un diodo LED conseguimos que por la unión PN sean inyectados huecos en el material tipo N y
electrones en el material tipo P; O sea los huecos de la zona P se mueven hacia la zona N y los
electrones de la zona N hacia la zona P, produciéndose por consiguiente, una inyección de portadores
minoritarios.
Figura 1. Funcionamiento.
Ambos
desplazamientos
de
cargas constituyen la corriente
que circula por el diodo. Si los
electrones y huecos están en la
misma
región,
pueden
recombinarse, es decir, los
electrones pueden pasar a
"ocupar" los huecos, "cayendo"
desde un nivel energético
superior a otro inferior más
estable.
Este proceso emite con frecuencia un fotón en semiconductores de banda prohibida directa o "direct
bandgap" con la energía correspondiente a su banda prohibida, como el Nitruro de Galio.
Sinecio Ontiveros Mónica Itzel
Fecha de entrega: mayo 9, 2016
Estas emisiones son mucho más probables en semiconductores de banda prohibida directa que en
los semiconductores de banda prohibida indirecta como el Silicio.
Compuestos empleados en la construcción de LEDES
Long. de
Compuesto
Color
onda
(GaAs)
infrarrojo
940 nm
(AlGaAs)
rojo e infrarrojo
890 nm
rojo, anaranjado y
(GaAsP)
amarillo
630 nm
(GaP)
Verde
555 nm
(GaN)
Verde
525 nm
(ZnSe)
azul
(InGaN)
azul
450 nm
(SiC)
azul
480 nm
diamante (C)
ultravioleta
silicio (Si)
en desarrollo
Figura 2. Light emitting diodes.
En el Centro de Investigación en Energía de la Universidad Nacional Autónoma de México se fabrican
nanoestructuras a partir de silicio, que son de las más baratas y fáciles de producir. Para ello se usa
una oblea de silicio cristalino dopado con boro. La oblea se coloca como el ánodo de una celda
electroquímica, donde el líquido es una solución de ácido fluorhídrico y el cátodo es una placa de
platino. A través de esta celda electroquímica se hace pasar una corriente de algunos miliamperes.
Durante el ataque químico producido de esta manera se crean orificios en la oblea de silicio, dejando
una estructura de ramas con diámetros del orden de nanómetros, que se asemeja al coral marino. La
parte sólida de este "coral" es silicio cristalino. Así, la oblea se convierte en silicio poroso, es decir,
silicio cristalino agujereado. Lo importante de este material es que tiene propiedades diferentes a las
del silicio cristalino macroscópico. Aquí los efectos cuánticos hacen que el silicio poroso sea
fotoluminiscente y electroluminiscente. Esto significa que cuando es iluminado o cuando pasa por él
una corriente eléctrica, emite luz, en este caso luz visible, lo que no sucede con el silicio cristalino
macroscópico. Esta nueva propiedad hace al silicio poroso un excelente candidato para aplicaciones
en la optoelectrónica, concretamente en la fabricación de LEDS.
Bibliografía
Duhne, M. (diciembre de 2014). Los Premios Nobel 2014. ¿Cómo ves?, 193, S/P.
Tagüeña, J. & Del Río, A.. (Enero, 2003). Nanomundo: la importancia de lo pequeño. ¿Cómo
ves?, 50, S/P.
Gago, A. & Fraile, J.. (2012). Iluminación con tecnología LED. España: Ediciones Paraninfo.
Transistores
Ortiz Argüello Ana Celia
García Crisóstomo Eduardo
Un transistor es un dispositivo que regula el flujo de corriente o de tensión actuando como un interruptor o amplificador
para señales electrónicas. Que fueron inventados en 1952 y que están hechos de por materiales semiconductores.
Materiales Semiconductores.- El silicio y el germanio son con mucho los más significativos, comercialmente, entre los
materiales semiconductores. El proceso de conducción en los semiconductores se pone de manifiesto más fácilmente en
el silicio y en el germanio. Los átomos de estos elementos tienen cuatro electrones en su orbital exterior. Estos
electrones normalmente están confinados en la estructura reticular cristalina. Algunos de estos electrones de valencia
son libres a temperatura ambiente y, por tanto, pueden moverse en el interior del cristal cuanto mayor es la
temperatura más electrones tienen la libertad de movimiento. Cada lugar vacío, o hueco, dejado en la retícula puede ser
ocupado por un electrón de valencia adyacente. Como un hueco se mueve en sentido opuesto al de un electrón, los
huecos pueden considerarse como portadores de carga positiva. La conductancia electrónica es debida al movimiento
de los huecos y de los electrones bajo la influencia de un campo aplicado.
Semiconductores intrínsecos (puros) presentan un coeficiente de resistividad negativo, ya que el número de portadores
aumenta con la temperatura. Debida a los portadores generados térmicamente, sin embargo es un efecto no
conveniente ya que está en función de la temperatura y esto limita el funcionamiento del dispositivo del semiconductor.
A una temperatura dada, la concentración de portadores generados térmicamente está relacionada con la barra de
potencial (en el caso del silicio es de 1.1 eV y del germanio es de 0,7 eV) las características de los compuestos que
contienen silicio a elevadas temperaturas se debe a dicha barra de potencial
Algunos compuestos pueden alterar dichas características mediante la adición de pequeñas donadoras o aceptoras
(doping). Las impurezas donadoras o dadoras (tipo n), tienen 5 electrones de valencia, de los cuales solo cuatro están
encajados en la estructura reticular del semiconductor. El electrón extra queda libre para conducir a temperaturas
normales de funcionamiento. Las impurezas comúnmente utilizadas para dicha función son fosforo, Arsénico y
Antimonio. Por el contrario las impurezas aceptoras (tipo P) tienen tres electrones de valencia y cuando se le agrega a
un semiconductor una impureza de este tipo aumenta el número de huecos entre las impurezas que figuran para este
tipo de clasificación está el boro el galio y el indio.
En un Semiconductor Extrínseco (dopado), predomina el tipo de portadores de corriente introducidos con el aditivo.
Estos portadores, electrones en los materiales de tipo n y huecos en los tipo p, se les denomina portadores
mayoritarios. Los portadores, generados térmicamente, de tipo opuesto, también están presentes en cantidades
pequeñas y se les denomina portadores minoritarios. La resistividad está determinada por la concentración de los
portadores mayoritarios.
Uniones:


p-n La mayoría de los dispositivos depende de la unión p-n, que es la zona frontera entre una región p y n en
una pieza de monocristal de material de semiconductor. Cada región contiene una elevada concentración de
sus cargas mayoritarias y un número igual de iones de impurezas con carga opuesta. Como los electrones tiene
una concentración más elevada en la región n que en la p, se difunden por la unión de manera similar, los
huecos se difunden de la región p a la región n. este flujo deja una región de carga espacial de impurezas
ionizadas, desprovista de portadores libres a ambos lados de la unión
n-p-n Consta de dos uniones muy próximas, la unión emisor base tiene polarización directa, y la unión
colector-base tiene polarización inversa. Es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las
letras “n” y “p” se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del
transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy son de este tipo, debido a que la movilidad del
electrón es mayor que la movilidad de los “huecos “ en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes
y velocidades de operación.
Transistores
Ortiz Argüello Ana Celia
García Crisóstomo Eduardo

Los transistores n-p-n consisten en una capa de material semiconductor dopado p (la “base”) entre dos capas
de material dopado n. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor- común es
amplificada en la salida del colector
p-n-p El otro tipo de transistor de unión bipolar refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes
regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día debido a que su desempeño es poco rentable a
diferencia del anterior.
Los transistores de este tipo consisten en una capa de material semiconductor dopado n entre dos capas del
material dopado p. Los transistores p-n-p comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado
al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica extrema. Una pequeña
corriente circulado desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el
colector
Fabricación de Transistores:
Aunque existen muchas técnicas para su elaboración las dos principales son proceso de aleación o proceso de difusión


Transistor aleado de germanio se forma colocando una delgada película de germanio tipo n entre dos bolitas
de Indio y se calienta en un horno. El Indio se funde y forma una disolución con el germanio. Cuando el
conjunto se enfría, el germanio recristaliza. El germanio más cercano a las bolitas está fuertemente adicionado
con tipo p por el Indio formando una estructura p-n-p. Esto los limita a aplicaciones de baja frecuencia.
La tecnología de la difusión, por otra parte, permite un control preciso de las áreas de unión y de las anchuras
de buen comportamiento que tienen características reproducibles. El proceso para fabricar el transistor
difundido de silicio n-p-n. Se forma un óxido sobre una lámina de silicio de tipo n. Se corta una ventana (A-A´)
en el óxido mediante un proceso fotolitográfico. Se difunden en el silicio vapores de impurezas de tipo p,
pasándolas sobre las partes en que la superficie está expuesta a altas temperaturas. Se vuelve a formar el
óxido se vuelve a abrir una ventana más corta (B-B´) y A través de esta ventana se difunden las impurezas del
tipo n.
Antes de que ocurra dicho proceso podemos difundir una región +n fuertemente dopada en la cara opuesta de
la lámina de silicio, para reducir la resistencia óhmica. La base y el emisor están entonces difundidos en una
región ligeramente dopada tipo n, dando una baja capacidad de colector y una elevada rigidez. Otra manera,
puede ser formar una estructura n+-n por un proceso epitaxial en el cual se deposita una región n ligeramente
dopada sobre un sustrato n+ de la fase en vapor.
El tamaño y forma de la unión y los contornos de las impurezas pueden variarse para optimizar las
características según la aplicación. Se usan variaciones de este proceso para hacerse transistores tipo n-p-n y
dispositivos semiconductores complejos, tales como rectificadores controlados y circuitos integrados.
Bibliografía:
 Edwin Jhonson et al. “Elementos de los circuitos “ tomo I, 4°Edición Barcelona, España
1989 páginas 5-60,5-65
 Marco Manjarez “introducción a los semiconductores “ 2°Edición México D.F 1978
páginas 67-89
Aleaciones Una aleación es una combinación de elementos metálicos preparada mediante el mezclado de los componentes fundidos que genera un sólido que exhibe propiedades metálicas luego de permitir su enfriamiento, tienen las propiedades características de los metales. La aleación de metales es de suma importancia, ya que es una de las formas principales de modificar las propiedades de los elementos metálicos puros. Las aleaciones son mezclas homogéneas en las que los componentes están dispersos al azar y de modo uniforme. Los átomos del soluto pueden tomar las posiciones normalmente ocupadas por un átomo de disolvente, formando una aleación de sustitución, o bien pueden ocupar posiciones entre los intersticios de la red, formando una aleación de intersticio. Las aleaciones de sustitución se forman cuando los dos componentes metálicos tienen radios atómicos y enlaces químicos similares. Para que se forme una aleación de intersticio, el componente presente en las posiciones de intersticios entre los átomos del disolvente tienen radios covalentes mucho menores que los átomos del disolvente. Es típico que un elemento de intersticial sea un no metal que participa en los enlaces con los átomos vecinos. Para poder entender el fenómeno de las aleaciones se puede estudiar la disolución sólida de un metal A en otro metal B, en donde A y B ocupan al azar posiciones equivalentes en la estructura. Hume­Rothery consideró los requisitos empíricos para la estabilidad de una disolución sólida de A en B como un sistema de una sola fase y concluyó: ● Los diámetros atómicos deben ser compatibles, lo cual significa que no deben diferir en más del 15%. ● Debe haber una débil afinidad química para formar disoluciones sólidas. Si A es fuertemente electronegativo y B lo es electropositivo, pueden precipitar de la disolución sólida compuestos como el AB y el A​
B. 2​
● Si la estructura cristalina de los metales es idéntica, la solubilidad entre ellos será apreciable. ● La máxima solubilidad entre sólidos se alcanza cuando los átomos del soluto y del disolvente tienen la misma valencia. Si los componentes no están dispersos uniformemente, se habla de aleaciones heterogéneas. Las propiedades de éstas dependen, no solamente de la composición, sino de la manera en que se forma el sólido a partir de la mezcla fundida. El enfriamiento rápido produce muy diferentes propiedades que el enfriamiento lento. Existen fases intermedias que no poseen las características de los metales puros ni de las aleaciones. La composición y estructura de estas fases están bien definidas. A este tipo de compuestos se les denomina intermetálicos, y se forman cuando dos metales poseen una diferencia de electronegatividad elevada. Las propiedades físicas generales de las aleaciones difieren de las propiedades de los elementos que las conforman. Por ejemplo, la conductividad eléctrica de las aleaciones es en general peor que la conductividad de los componentes puros; esto se debe a que la distribución desordenada o sustitución estadística de los átomos hace que la conductividad disminuya con particular intensidad. Las aleaciones de estructura ordenada presentan una conductividad mayor. Por ello tiene una gran importancia electrotécnica la preparación de metales lo más puros que sea posible. Por otra parte, es un hecho frecuente que las aleaciones sean mucho más resistentes a la corrosión que los metales puros. Otra de las propiedades de las aleaciones es la dureza, que suele ser mayor que la dureza de los metales puros. Algunos ejemplos de aleaciones comunes y sus aplicaciones se muestran a continuación: Elemento principal Nombre de la aleación Composición por peso Usos Bismuto Metal de Wood 50% Bi, 25% Pb, 12.5% Sn, 12.5% Cd Fusibles, rociadores automáticos Cobre Latón amarillo 67% Cu, 33% Zn Herramientas Hierro Acero inoxidable 80.6% Fe, 0.4% C, 18% cr, 1% Ni Cubiertos de mesa Plomo Soldadura para plomero 67% Pb, 33% Sn Uniones para soldar Plata sterling 92.5% Ag, 7.5% Cu Artículos para mesa Amalgama dental 70% Ag, 18% Sn, 10% Cu, 2% Hg Empastes dentales Plata Referencias 1. Atkins, P. W., & Atkins, P. W. (2006). Inorganic Chemistry. Oxford. Oxford University Press. p. 80­82 2. Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E. (1993). Química: La ciencia central. México. Prentice­Hall Hispanoamericana. p. 986­988 3. Christen, H. R. (1977). Fundamentos de la química general e inorgánica. Barcelona. Reverté. p.240­244 4. Kittle, C. (1998). Introducción a la física del sólido. Barcelona. Reverté. p. 696­697 Baterías de Litio
Integrantes: Juárez Martínez Yael. Reyes Catillo Diana Tonantzin.
Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Química.
El litio es el elemento de la tabla periódica
que tiene el potencial estándar de reducción
más bajo de todos (-3.045 V), además es un
elemento muy ligero (6.941 g/mol); estas dos
cualidades lo hacen ideal para ser utilizado
como ánodo en pilas electroquímicas. Otra
característica peculiar es que debido al
carácter reductor del litio, este se recubre
con una delgada capa pasiva al estar en
contacto con el disolvente electrólito,
haciendo que se autodescargue de manera
lenta (3% gasto anual). Esto se traduce en
una vida propia muy elevada, que en
comparación con la pila de Leclanché
[Zn/NH4Cl/MnO2] (15% gasto propio anual)
tiene una duración 5 veces mayor.
A pesar de todas esas propiedades, la
reactividad del litio es elevada y fue hasta
1958 que Harris descubrió que el elemento
era estable en éteres cíclicos y que varias
sales de litio eran solubles en él, además de
que la conductividad era la suficiente para
ser electrolito en pilas. Estos resultados
proporcionaron un impulso para el desarrollo
de pilas de litio clásicas.
El uso del lito como ánodo en las pilas
requiere de disoluciones en las que el metal
sea metaestable (Carbonato de propileno, ϒbutirolactona, THF). En ese estado, el litio es
muy sensible a impurezas, como agua o
ácidos de Bronsted. La primera pila
comercializada fue desarrollada en los 70 por
la empresa Saft, la cual tenía la siguiente
composición:
(-) Li/LiClO4(carbonanto de prop)/Ag2CrO4 (+)
Las dificultades que conlleva ese tipo de
ánodos, propicio la investigación en
materiales, tales como aleaciones de Li-Al, LiSn, Li-Pb, etc.
El electrolito debe contar con una
conductividad adecuada, además de ser
compatible con los electrodos, se utilizan
disolvente apróticos; las sales normalmente
no se disocian fuertemente en ese medio,
por lo tanto se usan sales de litio con aniones
grandes,
tales
como
percloratos,
hexafluroboratos y tetracloroaluminatos.
Los materiales más utilizados para la
fabricación de los cátodos son los siguientes:
CuO, MnO2, Ag2CrO4, V2O5 y CuS. Muchos
materiales son capaces de producir con el
litio hasta un potencial de 3.5 V, por tanto los
criterios para escoger al cátodo es el
comportamiento químico y el costo. El MnO2
se usa como cátodo en pilas no acuosas. La
baja capacidad equivalente del compuesto
(un electrón por mol) y la gasificación que
sufre durante el almacenamiento indican que
es el material menos utilizado, sin embargo
al secarlo por corriente de hidrógeno, se
aumenta su estabilidad.
La mayor parte de las reacciones que
tienen lugar es las pilas de litio son
reversibles, pero se prefiere la construcción
de acumuladores. El mayor problema se
debe a la recarga de la batería, debido a que
es difícil depositar el metal de forma
compacta, lo que genera ciclos de cargadescarga muy pequeños.
Las grandes aplicaciones de la batería de
litio van desde el ser utilizadas en
calculadores, hasta la fabricación de pilas de
papel, las cuales consiste en miniaturizar el
sistema a un intervalo de espesor de entre
0.3 y 0.5 mm. El resto de las aplicaciones se
muestra en la tabla 1.
El resto del escrito se dedicará a la
explicación de un sistema de litio recargable.
Anteriormente se ejemplificó el uso de
diversos materiales como cátodos, esto se
explica por la existencia de fases complejas
de óxido que tienen buena conductividad
iónica y variabilidad en el estado de
oxidación de un ion de un metal d. Un
ejemplo es el LiCoO2, el cual tienen una
estructura basada en láminas octaédricas de
CoO6 que comparten aristas y se encuentran
separadas por los iones Li+:
La batería se carga al remover los iones
móviles Li+ del óxido metálico complejo:
LiCoO2  CoO2 + Li+ + eLa batería se descarga, estando en uso,
mediante la reacción inversa.
La energía específica (la cual se define
como la energía almacenada dividida entre la
masa) del LiCoO2 se maximiza con elementos
ligeros debido al litio y cobalto; a su vez, los
metales 3d se utilizan por ser los elementos
de menor densidad con estados de oxidación
variables. La gran movilidad del ion Li+ y la
buena reversibilidad de la carga y descarga
como consecuencia de los pequeños radios
iónicos, permiten al Li+ ser extraído
fácilmente de la estructura.
Debido a las grandes cantidades de Li+ (un
ion por cada unidad fórmula de LiCoO2) se
pueden extraer reversiblemente los iones,
generando cerca de 500 ciclos de
descarga/recarga). La corriente que se libera
es de un potencial elevado y constante (3.5
V). La alta diferencia de potencial es
ocasionada por los altos números de
oxidación del cobalto involucrados (+3 y +4).
Dado que el cobalto es caro y bastante
tóxico, aún se investiga para conseguir
mejores óxidos. Se requieren nuevos
materiales que muestren altos niveles de
reversibilidad encontrados en ese material,
se han logrado avances utilizando formas de
LiCoO2 dopadas o formas nanoestructuradas,
que, por su pequeño tamaño, ofrecen
excelente reversibilidad. También se ha
encontrado que el LiFePO4 muestra buenas
características como cátodo, y contiene
hierro el cual no es tóxico y es barato.
El otro electrodo en la batería recargable
de litio puede ser simplemente litio metálico
(que como ya se mencionó, debe estar en un
disolvente
adecuado),
y
por
los
inconvenientes ya mencionados, se prefiere
el C6Li. Al descargarse la celda, se transfiere
el Li que se encuentra entre las capas de
carbono del ánodo y se intercala en el óxido
metálico del cátodo (y viceversa al cargarse),
el proceso es el siguiente:
LiyC6 + Li1-xCoO2 ←C6 + Li1-x+yCoO2
→
Referencias:


West, A. (1999).Basic Solid State
Chemistry. Segunda edición. Pp 346-351.
Summerfield, J. (2013). Modeling the
Lithium Ion Battery, J. Chem. Education 90
(4), pp 453–455.
Capacitores
Un capacitor o condensador es un arreglo de dos conductores eléctricos de cualquier forma
geométrica, llamados “placas”, aislados eléctricamente entre ellos y del ambiente, que se usa para
almacenar carga eléctrica y usarla como fuente de energía. El capacitor se carga con la aplicación de
corriente eléctrica y cada una de las placas con la misma magnitud de carga pero de diferente signo,
produciéndose entre ellas una diferencia de potencial. Debido a que las placas están hechas de
materiales conductores, el potencial de cada punto de su superficie es igual y la diferencia de potencial
entre ellas se expresa con la siguiente ecuación:
𝑞 = 𝐶𝑉
(1)
Donde C es una constante de proporcionalidad llamada capacitancia, que es una medida de la
cantidad de carga que se debe de aplicar a las placas para producir una diferencia de potencial entre
ellas y que depende de la geometría y naturaleza de éstas, pero no de la carga o diferencia de potencial
que se aplique; y se expresa en Farads, F, (1 F= 1 C/V).
Para aislarlos eléctricamente, es decir, que no pierdan la carga entre ellos o con el ambiente, se
utiliza un material aislante, para evitar que las cargas se atraen entre sí, no se desplacen y neutralicen,
además de que no se pierdan en el ambiente; y polar o polarizable para que, al orientar los momentos
dipolo (polos eléctricos) del material, el campo eléctrico en cada punto sea menor y, por lo tanto, el
potencial es menor; a este material se le conoce como dieléctrico y la capacidad de disminuir al campo
eléctrico efectivo de esa manera se expresa con la constante dieléctrica que, mientras mayor sea, más
grande será la capacitancia del material y, por lo tanto, será más fácil disponer de la carga almacenada.
La relación de la capacitancia con estas propiedades está expresada en la siguiente fórmula:
𝐶=
8.85𝑥10+,- 𝐾/ 𝐴
𝑑
(2)
Donde Kd es la constante dieléctrica, A el área de las placas y d la distancia entre ellas.
Figura 1. A la derecha, el diagrama de la estructura general de un capacitor; a la izquierda, distintos tipos de capacitores con su carcasa (de
arriba abajo: supercapacitores, capacitores cerámicos.
Existen diferentes tipos de capacitores dependiendo de la estructura del dispositivo, materiales
utilizados y su manera de operar o almacenar energía. A continuación de describen los dispositivos más
comunes.
Uno de ellos, que son ampliamente utilizados, son los capacitores cerámicos. Estos condensadores
constan de dos placas de metal con un material cerámico como dieléctrico. Los cerámicos tienen altas
constantes dieléctricas (Kd=1000-3000) y sus propiedades físicas son las que le dan la utilidad a este
tipo de capacitores por lo que existen muchas formulaciones de dieléctricos para darles diferentes
características. Según su aplicación se separan en dos categorías principales: Clase 1 y Clase 2.
Los capacitores cerámicos de clase 1, también conocidos como capacitores compensadores de
la temperatura, están hechos de titanatos, titanato de bario por ejemplo, como componente principal de
la mezcla. En estos capacitores se tiene bien conocido el cambio de la capacitancia con la temperatura
y los rangos de ella con la temperatura son generalmente pequeños, es decir, los condensadores
cerámicos de clase 1 son muy estables ante los cambios de temperatura, los más estables del mercado;
además, su capacitancia casi no cambia con el tiempo. Los capacitores cerámicos de clase 2 o
capacitores de propósitos generales, son condensadores que tienen una capacitancia grande en
capacitores pequeños y eso los hace ser muy utilizados. Sin embargo, son poco estables ante los
cambios de temperatura y la capacitancia varía con el tiempo.
Otro tipo de estos son capacitores plásticos o film capacitor, que son aquellos que usan algún
tipo de polímero (tereftalato de polietileno, policarbonato, poliestireno, polipropileno, por citar algunos)
como material dieléctrico. Su estructura es similar a la de los capacitores comunes: dos placas metálicas
separadas por una delgada capa de polímero. Las placas son cubiertas con una pasta gelatinosa
aislante y son introducidas en una carcasa de plástico. Usando técnicas de deposición de polímeros
como spin-coating o dip-coating se logran películas con espesores menores a 200 nm, lo cual favorece
considerablemente al valor de la capacitancia según (1). Las ventajas de estos capacitores son el precio
accesible (desde 10 USD) debido al bajo costo de las láminas y los polímeros, tamaños reducidos (de
hasta medio centímetro) y capacitancias considerables (del orden de milifarads). Estas características
hacen que estos dispositivos sean utilizados en macro y microelectrónica, comunicaciones (teléfonos,
routers, módems) y dispositivos de iluminación.
Por otro lado, existen condensadores que almacenan grandes cantidades de energía por unidad
de volumen, supercapacitores. Uno de los tipos más modernos de estos son los condensadores
electroquímicos. Tienen capacitancias muy altas, del orden de 10-5000F, comparadas con las de
condensadores normales que son del orden de picofarads (10-12 F). Esto debido al fenómeno de
pseudocapacitancia, que consiste en utilizar una reacción redox espontánea y rápida en el dispositivo,
generando una capacitancia que no es de origen electrostático. Actualmente, se buscan emplear como
sustitutos de baterías y para almacenar energía en diferentes sistemas microelectrónicos. Constan de
un arreglo de dos colectores de corriente (motores) cubiertos de material poroso, que forman en conjunto
las placas del capacitor y están separadas por un material aislante poroso impregnado de un electrólito,
lo cual, aunado a que estas placas son de gran área permite la formación de una doble capa eléctrica,
lo que le da al sistema las propiedades requeridas para sus aplicaciones.
Figura 2. De izquierda a derecho: capacitor cerámico, capacitor plástico, supercapacitor.
Existen muchos tipos de capacitores, a demás de los enlistados anteriormente y, en general, son
dispositivos utilizados para almacenar carga y disponer de ella, como fuente de energía. Según su
funcionamiento, capacitancia, tamaño y estabilidad ante cualquier tipo de estrés, es como se elige su
aplicación, que va desde reguladores de corriente en circuitos de radio y televisión, hasta fuentes de
poder para arranques de motores. En la actualidad, se están desarrollando nuevos tipos de capacitores,
en donde su capacitancia no es de origen electrostático sino químico, lo que la hace mucho mayor y con
eso aumenta la capacidad de un condensador de almacenar carga, convirtiéndolos en una fuente muy
prometedora de energía alternativa por su rendimiento y porque es más amigable con el ambiente.
Resnik, R. Fundamentals of Physics Extended, novena edición. John Wiley & Sons, Inc., EE.UU., 2011, pp. 656-658.
Kaiser, C. The Capacitor Handbook. Van Nostrand Reinhold, EE.UU., 1993, pp. 27-37, 41-48.
Barbero, C; Cotella, N. Fabricación de carbones poliméricos para la aplicación de supercapacitores electroquímicos. Tesis
para la obtención del grado de maestra.
Hall, D. B.; Underhill, P.; Torkelson, J. M. Polymer Engineering & Science, 1998, 38(12), 2039-2045.
Scriven, L.E. (1988). "Physics and applications of dip coating and spin coating". Better ceramics through chemistry III. pp. 717729.
Guerra Toro Alejandro Rosas Cortina Estefanía Leonor Química del Estado Sólido Celdas de Combustible Hoy en día se buscan alternativas para conseguir energía, que no contaminen y que sean eficientes. Una opción son las celdas de combustible. Una celda de combustible es un dispositivo que genera electricidad debido a una reacción química. Toda celda de combustible tiene dos electrodos, uno positivo y otro negativo, llamados respectivamente, ánodo y cátodo, las reacciones que producen electricidad se llevan a cabo en éstos. También contienen un electrolito, que transporta partículas cargadas eléctricamente de un electrodo al otro, además de un catalizador, que acelera las reacciones en los electrodos. El hidrógeno es el principal combustible empleado. En estas celdas también se requiere de oxígeno. Uno de los mayores atractivos de estas celdas de combustible es que generan electricidad sin contaminar mucho (la mayoría del hidrógeno y del oxígeno usados en generar electricidad se combinan para formar un producto secundario, agua). Debido a que una sola celda de combustible genera muy poca corriente directa (DC), en la práctica, se apilan varias celdas en montones para producir una cantidad considerable de electricidad. ¿Cómo funcionan las celdas? Hay varios tipos de celdas de combustible y cada una opera un poco distinto. Pero en términos generales, los átomos de hidrógeno entran a la celda por el ánodo donde una reacción química les quita sus electrones. Estos átomos “ionizados” llevan una carga positiva. Los electrones (cargas negativas) proveen la corriente por medio de cables para realizar algún trabajo. El oxígeno entra a la celda por el cátodo y, en algunos tipos de celda, se combina con los electrones que regresan del circuito eléctrico y con los iones de hidrógeno que han viajado por medio del electrolito desde el ánodo. En otro tipo de celdas, el oxígeno toma los electrones y viaja por el electrolito hacia el ánodo, donde se combina con los iones de hidrógeno. El electrolito tiene un papel muy importante. Sólo debe permitir ciertos iones pasar entre el ánodo y el cátodo. Si electrones libres u otras sustancias pudieran viajar por el electrolito, alterarían o inhibirían la reacción. ¿Cuáles son algunos tipos de celdas? Las celdas de combustible por lo general se clasifican por el electrolito que se emplea en cada una de ellas. Esta clasificación determina el tipo de reacciones electroquímicas que se llevan a cabo, el tipo de catálisis requerido, el rango de temperatura en la cual trabaja la celda, el combustible que se requiere, entre otros factores. Las celdas de combustible de ​
Alcalí operan con hidrógeno y oxígeno comprimido. Éstas generalmente usan una solución de hidróxido de potasio (KOH) en agua como electrolito. La eficiencia es de alrededor de 70% y la temperatura en la que operan es de 150 a 250°C. La potencia de salida de la celda va de 300 watts (W) a 5 kilowatts (kW). Las celdas de alkalí fueron usadas en la nave espacial Apolo para proveerla de electricidad y agua potable. Guerra Toro Alejandro Rosas Cortina Estefanía Leonor Química del Estado Sólido Estas celdas requieren como combustible hidrógeno puro y los electrodos de catalizador de platino son caros. También tienen la desventaja de que como cualquier contenedor con líquido, pueden presentar fugas. Las celdas de combustible de ​
Carbonato Fundido ​
(MCFC) usan sales (como sodio o magnesio) de carbonatos (CO​
) de alta temperatura como electrolito. La eficiencia es del 60 3​
al 80% y operan en 650°C. Se han construido unidades que generan hasta 2 megawatts (MW) y existen diseños para unidades de hasta 100 MW. Las altas temperaturas limitan el daño por “envenenamiento” de monóxido de carbono en la celda y el calor de desecho puede ser reciclado para producir electricidad adicional. Sus electrodos de catalizador de níquel son baratos comparados con los de platino usados en otras celdas. Una de sus desventajas es que las altas temperaturas en las que operan limitan los materiales que ocupan y los usos seguros de las MCFCs (probablemente serían muy calientes para usos domésticos). También, los iones carbonato del electrolito son consumidos en la reacción, haciendo necesario la inyección de dióxido de carbono para compensar. Las celdas de combustible de ​
Ácido Fosfórico ​
(PAFC) usan este ácido como electrolito. La eficiencia va del 40 al 80% y operan entre 150 y 200°C. Existen PAFCs con potencias de salida de hasta 200 kW y unidades de 11 MW han sido probadas. Las PAFCs toleran concentraciones de monóxido de carbono de 1.5% aproximadamente. Si se usa gasolina, se debe remover el azufre. Se necesitan electrodos de catalizador de platino y las partes internas deben soportar la corrosividad del ácido. Las celdas de combustible de ​
Membrana de Intercambio Protónico (PEM) trabajan con un polímero como electrolito, que es una membrana delgada y permeable. La eficiencia es del 40­50% y opera alrededor de los 80°C. La potencia de salida va de 50 a 250 kW. El electrolito sólido y flexible no presenta fugas ni fisuras, además estas celdas operan en temperaturas bajas por lo que pueden usarse en casas y automóviles. El combustible debe estar purificado y usa catalizadores de platino en ambos lados de la membrana, lo que eleva los costos. Las celdas de combustible de ​
Óxido Sólido ​
(SOFC) usan un compuesto de cerámica duro de óxidos (O​
) de metal (como calcio o zirconio) como electrolito. La eficiencia es de 2​
alrededor del 60% y operan en temperaturas cercanas a los 1000°C. La potencia de salida es de hasta 100 kW. A tan altas temperaturas no se requiere un reformador para extraer hidrógeno del combustible y el calor de desecho se puede reciclar para producir electricidad adicional. Desafortunadamente, las altas temperaturas limitan las aplicaciones de las unidades SOFC y tienden a ser bastante grandes en tamaño. Aunque los electrolitos sólidos no presentan fugas, se pueden fisurar. En conclusión, estas celdas se usan desde fuentes de energía de emergencia hasta en vehículos, sumando de que son baratas, no contaminan, pueden llegar a ser más eficientes que las máquinas que conocemos, entre otras cosas. La investigación y desarrollo en este tema crece con el tiempo en este mundo que cada vez demanda más energía. Referencias. Dicks, A.. (1998, noviembre). ​
How do we fuel fuel cells?.​
Fuel Cells Bulletin, Vol. 1, pp. 7­9. 09/05/2016, De ScienceDirect Base de datos http://energy.gov/eere/fuelcells/fuel­cells http://www.bloomenergy.com/fuel­cell/solid­oxide­fuel­cell­animation/ http://americanhistory.si.edu/fuelcells/basics.htm Conductores termoeléctricos: una vista panorámica de las
características estructurales y su funcionamiento.
Acevedo Mejía Andrea; Navarro Huerta Armando.
Facultad de Química. Universidad Nacional Autónoma de México. Mayo de 2016.
RESUMEN
Los materiales termoeléctricos son aquellos que tienen la
propiedad de poder producir una corriente eléctrica ante la presencia
de un gradiente de temperatura, o por el contrario, generan energía
calorífica ante la aplicación de una corriente eléctrica externa. Estos
tienen aplicaciones como refrigerantes o en la producción de energía
eléctricas en zonas donde es difícil producirla, como son las sondas
espaciales. El siguiente trabajo muestra una descripción de este tipo
de materiales, así como sus propiedades y funcionamiento.
Para explicar el fenómeno que ocurre en un material
termoeléctrico se ilustra el siguiente ejemplo:
Considera una barra metálica donde un extremo de la barra es
mantenido a una temperatura mayor que el otro extremo. Si
se considera que los electrones libres se comportan como un
gas, los electrones en la zona caliente de la barra tendrán una
energía cinética promedio mayor y se moverán a una rapidez
promedio mayor que los electrones que están en la zona fría
del metal, provocando que haya un flujo de electrones de la
zona caliente a la zona fría de la barra, formando, como
consecuencia, una acumulación de carga negativa en la zona
fría. En un circuito cerrado la corriente fluirá para reducir la
acumulación de carga y de esta manera continuar con el flujo
de corriente mientras la temperatura de la barra metálica no
sea uniforme.
𝐸𝐸 = 𝑆𝑆 �
𝛥𝛥𝛥𝛥
�
𝛥𝛥𝛥𝛥
Para un gradiente de temperatura dado, un valor
grande en el coeficiente de Seebeck indica que se
genera una magnitud de campo eléctrico grande, y
por lo tanto una diferencia de potencial grande.
2.
Efecto Peltier: Es el efecto contrario al efecto
Seebeck, es decir, cuando circula una corriente
eléctrica a través de un material semiconductor se
genera una diferencia de temperaturas entre las dos
caras del material. El coeficiente de Peltier está dado
como:
𝛱𝛱 =
𝑄𝑄
𝐼𝐼
Donde Q es la energía calorífica emitida e I es la
corriente eléctrica que pasa a través del material.
3. Efecto Thomson: Se basa en un análisis
termodinámico de los dos efectos anteriores, el cual
está fundamentado en la absorción o emisión de calor
en un conductor homogéneo sujeto por un gradiente
de temperatura mientras una corriente eléctrica pasa
a través del material. Por medio de este efecto los
efectos de Seebeck y Peltier se relacionan mediante
la expresión:
𝛱𝛱 = 𝑆𝑆. 𝑇𝑇 =
Ilustración 1. Movimiento de electrones y zonas de potencial en un
material termoeléctrico conforme a su temperatura.
El estudio de los materiales termoeléctricos, así como de la
termoelectricidad se analiza con base en tres fenómenos
principales.
1. Efecto Seebeck: Estudiado por Thomas Seebeck
Johann, descubrió que una corriente eléctrica podría
fluir en un circuito compuesto por dos metales
distintos si las dos uniones se mantenían a distintas
temperaturas. El campo eléctrico producido es
proporcional al gradiente térmico, donde la
constante de proporcionalidad se denota como
termopotencial o coeficiente de Seebeck, S[V/K]:
𝑄𝑄
𝐼𝐼
Considerando
lo
anterior,
un
conductor
termoeléctrico eficiente debe cumplir con las
siguientes características:
• Tener un gran coeficiente de Seebeck.
• Estabilidad física y química a altas temperaturas.
• Debe mantener una diferencia de temperatura entre
los extremos del material, por lo que el material
necesita tener una baja conductividad térmica para
que no llegue fácilmente al estado de equilibrio
donde las temperaturas son iguales en ambos
extremos.
Una manera de medir la eficiencia de un material
termoeléctrico es por medio del potencial termoeléctrico, éste
se cuantifica por su factor de mérito (del inglés “figure of
merit”) establecido como
𝑍𝑍𝑍𝑍 =
𝜎𝜎𝑆𝑆 2
𝑇𝑇
𝜅𝜅
Donde σ es la conductividad eléctrica, κ es la conductividad
térmica y T es la temperatura absoluta a la que se realizan las
mediciones. En conjunto, esta expresión representa un
Acevedo, Navarro | Termoeléctricos | Mayo de 2016
elemento esencial de eficiencia de un material
termoeléctrico para aplicaciones donde se
convierte calor a electricidad o corriente
eléctrica a capacidad frigorífica. La
optimización de un material o compuestos para aplicaciones
termoeléctricas principalmente implica la maximización del
factor adimensional ZT que depende únicamente del material.
Tanto el factor de Seebeck, la conductividad eléctrica y el
factor de potencia son función de la concentración de los
portadores de carga; una maximización en el factor de
potencia
se
observa
para
concentraciones
de
aproximadamente 1018 – 1021 portadores/cm3, que
corresponde a semiconductores con “band gap” pequeño o
semimetales.
Para entender cómo ocurre el movimiento del calor
dentro de un material, se considera que el calor (al igual que el
sonido) es el movimiento o vibración de átomos o moléculas:
frecuencias de baja vibración corresponden a sonido, mientras
que frecuencias de alta vibración corresponden a calor. A cada
frecuencia, la mecánica cuántica dicta que la energía
vibracional debe ser un múltiplo de una cantidad base de
energía, llamada cuanto, que es proporcional a la frecuencia.
Los físicos llaman a esta cantidad basal de energía “fonones”.
En la práctica, los materiales poseen fonones de muchas
frecuencias distintas los cuales, al moverse, interactúan con los
fonones de otras longitudes de onda, lo que crea caos en el
movimiento del calor dentro del sólido. En materiales
termoeléctricos, este “caos fonónico” crea impedimentos al
libre movimiento de los electrones a través del material, lo que
reduce la conductividad eléctrica y aumenta la conductividad
térmica. Este efecto es muy deseable disminuir en la mayor
medida posible.
Las propiedades termoeléctricas de un material se deben
a los portadores de carga existentes en estos, los cuales
pueden ser:
• Electrones: Los semiconductores en donde los
electrones libres son los principales portadores en el
material se denotan como semiconductores tipo-n.
• Huecos electrónicos: son estados electrónicos
vacantes en la banda de valencia del semiconductor,
éstos tienen la misma magnitud de carga que un
electrón, pero su carga es positiva. Los
semiconductores en las cuales los huecos son los
portadores mayoritarios son denotados como tipo-p.
Los mejores conductores termoeléctricos son aquellos
materiales aleados (mezcla de elementos químicos donde por
lo menos uno es un metal) con una alta concentración de
portadores en forma de impurezas: la alta concentración de
portadores favorece una efectiva conductividad eléctrica, así
como la aleación interrumpe el transporte de fonones,
disminuyendo la conductividad térmica como consecuencia.
La conductividad térmica de la red puede reducirse
mediante el uso de elementos pesados como el Bi, Te y Pb.
Cabe considerar que una estructura cristalina compleja
provocará una disminución en la cantidad de fonones
acústicos, que son los responsables de la transferencia de calor
en el material.
Uno de los mejores conductores
termoeléctricos existentes es el telururo de
bismuto, Bi2Te3, el cual es extensamente usado
en la construcción de módulos termoeléctricos.
Este material es caracterizado por espectroscopía de rayos X
de energía dispersiva (EDX). Una mejor conductividad eléctrica
es lograda en tanto un coeficiente ZT es mayor; en el caso de
el telururo de bismuto, per se, se tienen coeficientes de
aproximadamente 0.5 a 0.7, para mejorar este valor hasta
valores de 0.9 unidades se dopa el telururo de bismuto con
telururo de antimonio, esto confiere al material una estructura
policristalina. Este material posee una importancia central en
el campo de termoeléctricos debido a que es uno de los pocos
termoeléctricos conocidos de alto desempeño que tienen
buena conducción eléctrica a temperaturas menores de 550 K.
Síntesis de materiales termoeléctricos
Existen dos tipos principales de síntesis, los cuales son
descritos en brevedad:
1) Prensado en caliente y sinterización. Los reactivos se
comprimen y se recoce a altas temperaturas hasta
que se haya formado la fase deseada. Dentro del
proceso
ocurren
fenómenos
de
difusión,
recristalización, y crecimiento del cristal.
2) Crecimiento de cristales a partir de una mezcla
fundida. En este se funden los reactivos y mediante
enfriamiento se obtiene la fase deseada, produciendo
muestras policristalinas con orientación aleatoria,
con una orientación cristalina específica o
monocristales.
Cabe notar que es importante utilizar una atmósfera inerte en
la reacción, evitando de esta manera la reacción de los
reactivos con elementos como el oxígeno.
En la actualidad se realizan investigaciones sobre
termoeléctricos más eficientes, debido a que pueden ser
utilizados como fuentes de producción de energía eléctrica
sostenible.
Referencias
• Edmund J. Winder and Arthur B. Ellis y George C. Lisensky,
•
•
•
•
Thermoelectric Devices: Solid-State Refrigerators and
Electrical Generators in the classroom”. Journal of Chemical
Education • Vol. 73 No. 10 de Octubre de 1996.
Dr. Paul E. Snyder, Chemistry of thermoelectric,
Westinghouse Electric Corp, Pittsburgh, Pa., Chemical &
Engineering News, 13 de Marzo de 1961.
C. Godart, A. P. Gonc¸alves, E. B. Lopes, and B. Villeroy;
“Role of Structures on Thermal Conductivity in
Thermoelectric Materials”. Sacavém, Portugal. Springer
Science+Business Media B.V. 2009
Chandler, David L.; “Explained: Phonons. When trying to
control the way heat moves through solids, it is often useful
to think of it as a flow of particles.”; MIT News Office, MIT.
July 8, 2010. Consultado el 8 de mayo del 2016 en
http://news.mit.edu/2010/explained-phonons-0706.
L.M.Goncalves, C.Couto, P.Alpuim, D.M.Rowe, J.H.Correia;
“Thermoelectric Properties of Bi2Te3 / Sb2Te3 Thin Films”.
Trans Tech Publications, Switzerland, Materials Science
Fórum Vols. 514-516 (May 2006) pp. 156-160.
Acevedo, Navarro | Termoeléctricos | Mayo de 2016
García Sánchez Adrián
Gómez Romero Jorge
Cristales líquidos
El primero en observar un cristal líquido fue el botánico austriaco Friedrich Reinitzer en 1888,
cuando vio que el benzoato de colesterilo (una sustancia sólida derivada del colesterol) formaba un
líquido turbio cuando lo calentaba hasta su temperatura de fusión. Al seguir calentando, la turbidez
persistía hasta que a cierta temperatura el líquido se volvía trasparente. Poco tiempo después se
descubrieron otras sustancias que presentaban el mismo comportamiento y finalmente se ha
demostrado que se trata de un nuevo estado de la materia, intermedio entre el sólido y el líquido.
Precisamente en esta característica tan especial radica su interés: Reúne ciertas características de
los sólidos cristalinos, presentando diferentes propiedades en diferentes direcciones, junto con
ciertas propiedades de los líquidos como la movilidad y la fluidez. Es decir que, hay fluidez, sin
embargo, las moléculas están ordenadas siguiendo una orientación espacial común. Por este
motivo, en 1889 el físico alemán Otto Lehmann los llamó “Cristales Líquidos” nombre con el que se
les sigue conociendo en la actualidad.
Cristales líquidos en la naturaleza
Los cristales líquidos no son productos exclusivos de nuestra tecnología. Como en otros ámbitos de
la ciencia, la naturaleza es la primera escuela donde podemos aprender sobre estos compuestos tan
singulares. En muchos sistemas biológicos existen organizadores de tipo cristal líquido. Uno de los
ejemplos mejor conocidos son los llamados fosfolípidos, el principal componente de las membranas
celulares.
Otro ejemplo lo constituyen las fibras de mielina, una lipoproteína que se encuentra recubriendo
el axón de las neuronas. En este mismo contexto, podemos también citar los cristales líquidos
formados por algunos productos como, compuestos orgánicos de la serie aromática, los
carbohidratos, los polipéptidos y los ácidos nucleicos.
Como es un cristal líquido.
Una manera de definirlo es como un sólido cristalino, las moléculas ocupan posiciones fijas y están
orientadas de manera específica una respecto a las otras. Esto hace que algunas de sus propiedades
cambien en función de la dirección que se considere: es lo que se llama anisotropía (por ejemplo,
un cristal de mica podemos exfoliarlo con facilidad en la dirección de las láminas que le constituyen
pero no en la dirección perpendicular). Los cristales líquidos conjugan la facilidad de movimiento de
los líquidos con la anisotropía de los sólidos. Todos ellos lo hacen únicos para determinados fines.
Esta anisotropía es la responsable de las texturas características que se observan en capas delgadas
de un cristal líquido a través de un microscopio óptico se pueden observar.
Son compuestos formados, en general, por moléculas con dimensiones anisótropas. Hay cristales
líquidos formados por moléculas con forma de varilla (cristales líquidos calamíticos). Otros lo están
por moléculas con forma de disco (cristales líquidos discóticos o columnales). Estos dos son los tipos
principales de moléculas que dan lugar a la aparición del estado cristal líquido por efecto de la
temperatura (cristales líquidos termótropos). Existen otros tipos de cristales líquidos, los cristales
líquidos liótropos que aparecen con la presencia de algún disolvente, la estructura mas típica de las
moléculas que los forma consiste en una parte hidrófoba y otra hidrofílica dentro de la misma
molécula, el disolvente puede ser agua u otro disolvente menos polar que induce la formación
micelas, que a su vez se ordenan en el estado cristal- liquido.
Aplicaciones de los cristales líquidos.
Los cristales líquidos, en función de sus propiedades, pueden utilizarse para diferentes fines. Por
ejemplo, aquellos que reflejan luz de diferente color según sea la temperatura en termómetros o
de detectores de tumores o fisuras de superficies mecánicas. Por sus propiedades electrópticas se
usan como base de pantallas de TV, monitores de ordenador, protectores de videos, cabezales de
impresoras, pantallas de calculadoras, relojes o juegos electrónicos. Como válvulas de luz, que son
capaces de aceptar una imagen de baja intensidad luminosa y convertirla en otra de salida más
intensa. Finalmente, los cristales líquidos liótrpos son de gran importancia en la actualidad en la
industria de detergentes y cosméticos.
Dispositivos ópticos
Uno de los principales motivos de interés industrial por los cristales líquidos ha sido su uso en el
diseño de dispositivos que combinan la fluidez con la anisotropía óptica y dieléctrica de estos
materiales, los denominados “displays”.
En un reloj, una calculadora o juegos eléctricos, la luz ambiental que llega a la superficie del “display”
pasa a través de los diferentes componentes del dispositivo, que se colocan en una estructura de
tipo sándwich. Pero esta luz será reflejada de nuevo si la orientación de las moléculas de la capa del
cristal líquido que hay en el centro del “display” es la adecuada. Dicha orientación puede controlarse
localmente mediante la conexión o desconexión de un circuito eléctrico establecido con el pequeño
voltaje de una pila. El resultado es que en la pantalla aparecen zonas de brillo o de color
diferenciadas, de tal forma que vemos un número, una letra o una figura determinada. Una de las
ventajas fundamentales es que pueden cambiar en cuestión de milisegundos o microsegundos.
Aplicaciones biológicas
Las membranas celulares están formadas por cristales líquidos. Están organizaciones biológicas
pueden tener aplicaciones en otros campos. Por ejemplos, los liposomas son esferas huecas con
estructura cristal líquido formada por fosfolípidos u otros derivados lipídicos. En el interior de estas
esferas es posible almacenar principios activos que se pueden ir liberando poco a poco. La cosmética
es uno de los campos donde se utilizan estos compuestos.
Bibliografía:
Química, A Garritz, J.A. Chamizo. Universidad Nacional Autónoma de México. Ed. Pearson.
http://www.unizar.es/icma/divulgacion/cristalesliq.html Cristales Líquidos. Instituto de Ciencias
de Materiales de Aragón.