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Inteligencia en materiales innovadores
Definidos como materiales cuyas propiedades pueden ser modificadas de manera
controlable en respuesta a los cambios producidos en su ambiente, los materiales
inteligentes pueden convertir un tipo de energía en otro. Esto permite utilizarlos para
ejecutar las funciones complejas de los sensores y activadores—a veces varias
funciones simultáneamente—en un dispositivo que consiste esencialmente en una
sola pieza de una sola sustancia.
Rashmi Bhavsar
Nitin Y. Vaidya
Rosharon, Texas, EUA
Partha Ganguly
Alan Humphreys
Agathe Robisson
Huilin Tu
Nathan Wicks
Cambridge, Massachusetts, EUA
Gareth H. McKinley
Instituto de Tecnología de Massachusetts
Cambridge, Massachusetts
Frederic Pauchet
Clamart, Francia
Por su colaboración en la preparación de este artículo, se
agradece a Hiroshi Hori, Sagamihara, Kanagawa, Japón.
CQG (Sensor de cristal de cuarzo), FUTUR, Isolation
Scanner, Q-Marine, Q-Seabed, Sonic Scanner y
sonicVISION son marcas de Schlumberger.
CryoFit es una marca de Aerofit Products Inc.
Motion Master es una marca de LORD Corporation.
Simon Nitinol Filter es una marca de C.R. Bard, Inc. o
de una afiliada.
SmartMagnetix es una marca de Biedermann Motech GmbH.
1. Schwartz MM (ed): Encyclopedia of Smart Materials
(Enciclopedia de Materiales Inteligentes). Ciudad de
Nueva York: John Wiley & Sons, 2002.
2. Otsuka K y Wayman CM (eds): Shape Memory Materials
(Materiales con Memoria de Forma). Cambridge,
Inglaterra: Imprenta de la Universidad de Cambridge, 1998.
3. Kauffman GB y Mayo I: “The Metal with a Memory,”
Invention & Technology Magazine 9, no. 2 (Otoño de
1993): 18–23, http://www.americanheritage.com/
articles/magazine/it/1993/2/1993_2_18.shtml (Se
accedió el 4 de diciembre de 2007).
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Desde el comienzo, el hombre ha construído herramientas con los materiales que se encontraban
a su disposición. Al ir conociendo mejor las propiedades de los mismos pudo diseñar herramientas cada vez más específicas. Actualmente, una
categoría de materiales que está experimentando
procesos de investigación extensivos y cierta aplicación es la de los “materiales inteligentes.”
Algunos materiales inteligentes son muy conocidos. Los encendedores y dispositivos de encendido piezoelétricos de las cocinas de gas, las
parrillas y otros artefactos que funcionan con gas,
producen una chispa, o descarga eléctrica, sin utilizar un circuito eléctrico; con sólo golpear un
cristal piezoeléctrico con un martillo a resorte.
Esta propiedad de los materiales piezoeléctricos
de “sentir” la presión y responder mediante la generación de potencial eléctrico se utiliza en una
amplia gama de aplicaciones inteligentes. Otros
materiales inteligentes responden a estímulos externos diferentes, tales como la temperatura, los
campos electromagnéticos y la humedad.
Lo que todos los materiales inteligentes poseen en común es la capacidad de convertir un
tipo de energía en otro. Los materiales piezoeléctricos pueden convertir la energía mecánica en
energía eléctrica y viceversa. Otros materiales inteligentes realizan la conversión entre otros tipos
de energía. Una clave para las aplicaciones prácticas es el hecho de que esta conversión puede
producirse de manera controlada. Los materiales
que manifiestan esta propiedad de responder a los
cambios producidos en el ambiente de un modo
controlable, se denominan comúnmente materiales inteligentes.1
Los dos tipos principales de dispositivos de conversión de energía son los sensores y los activadores, que representan las aplicaciones principales
de los materiales inteligentes. Un sensor convierte
una acción en una señal, mientras que un activador convierte una señal en una acción. Los sensores y los activadores convencionales se fabrican
habitualmente con materiales múltiples y poseen
piezas móviles. Algunos materiales inteligentes
pueden ejecutar las funciones de varios materiales
y piezas en forma simultánea, simplificando de este
modo el diseño del dispositivo y teniendo menos
piezas que pueden romperse o desgastarse.
Desde el punto de vista de las aplicaciones
prácticas, los materiales que convierten la energía
mecánica en energía termal, eléctrica, magnética
o química y viceversa son los de mayor interés.
Además de los materiales piezoeléctricos que convierten la energía mecánica en electricidad, entre
otros materiales inteligentes que se utilizan en
aplicaciones comerciales se encuentran las aleaciones con memoria de forma que responden mecánicamente al calor aplicado; los materiales
magnetorreológicos y magnetostrictivos, cuyas
propiedades son controladas mediante la aplicación de campos magnéticos; y los materiales que
se hinchan cuando son activados químicamente.
Este artículo se centra en algunos de estos materiales, sus aplicaciones actuales y su potencial
para ser utilizados en aplicaciones de campos petroleros futuras.
Oilfield Review
Materiales activados
termalmente: un recuerdo total
Algunos materiales pueden ser deformados pero
luego recuperan su forma original cuando se
aplica calor. Se trata de los materiales con memoria de forma. Las aleaciones con propiedades que
se relacionan directamente con el fenómeno de
memoria de forma se conocen desde la década de
1930.2 No obstante, la aplicación tecnológica de
este fenómeno no se produjo hasta después de
transcurridas tres décadas.3 A comienzos de 1958,
William J. Buehler, un metalúrgico del Naval Ordenance Laboratory (NOL), en White Oak, Maryland, EUA, comenzó a probar diversas aleaciones
para la proa de un cohete submarino y determinó
que una aleación de níquel-titanio poseía la mayor
resistencia al impacto y otras propiedades beneficiosas, tales como elasticidad, maleabilidad y resistencia a la fatiga. Buehler dio a esta aleación
el nombre de Nitinol, combinando los símbolos
Verano de 2008
químicos del níquel, Ni, y el titanio, Ti, con la sigla
del laboratorio, NOL.
El primer indicio de las propiedades inusuales
del Nitinol se observó en 1959, cuando Buehler
descubrió las características excepcionales de
amortiguamiento acústico dependiente de la temperatura de la aleación, que sugerían los cambios
dependientes de la temperatura, producidos en la
estructura atómica de la misma. Pero el paso
final, hacia el descubrimiento de la memoria de
forma, tuvo lugar en 1960 en una reunión de los
directivos del laboratorio NOL, a quienes se les
presentó una muestra de Nitinol que demostraría
las propiedades favorables de la aleación en términos de resistencia a la fatiga. La muestra consistía en una tira larga de Nitinol, plegada repetidas
veces para formar un perfil en zigzag. Los directores doblaron y desdoblaron la muestra y se manifestaron satisfechos con sus características
mecánicas. Uno de los gerentes decidió verificar las
propiedades termales de la aleación, utilizando un
encendedor de cigarrillos. Para su sorpresa, ante
la aplicación de calor, la tira comprimida se estiró
longitudinalmente.
La comprensión del mecanismo de memoria
de forma llevó unos años más. Un descubrimiento
importante fue que el Nitinol existe como dos
fases diferentes dependientes de la temperatura;
la memoria de forma es posible debido a las transiciones de fase existentes entre estas fases. Para
fijar la forma original, o para “entrenar” una
muestra para que “recuerde” esta forma, la muestra de Nitinol debe recocerse a una temperatura
de aproximadamente 500°C [932°F] durante una
hora, mientras se la sostiene en una posición fija.
El calentamiento genera una fase inelástica, dura,
de alta temperatura denominada austenita. El enfriamiento o descenso rápido de temperatura subsiguiente de la muestra, produce una fase elástica,
más deformable, de baja temperatura, denominada
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Austenita
Martensita maclada
Enfriamiento
Martensita demaclada
Calentamiento
Deformación
A
> Mecanismo del efecto memoria de forma. Al enfriarse, la fase de austenita de alta temperatura, con una red cúbica centrada en la cara, se convierte en la fase martensítica de baja temperatura. Debido a los esfuerzos
experimentados durante el enfriamiento, la martensita producida a partir
de la austenita experimenta un proceso de maclado de cristales: la formación de capas adyacentes relacionadas por simetría especular. La deformación remueve el maclado. La martensita demaclada posee una red
cristalina tetragonal. El calentamiento de la martensita demaclada deformada la convierte nuevamente a la fase de austenita.
martensita. Si la muestra entrenada se deforma y
se somete al calor nuevamente, el movimiento termal hace que los átomos formen la red de austenita, restituyendo de ese modo la forma original de
la muestra (arriba). Las temperaturas de revenido
y templado, además de otras propiedades, dependen considerablemente de la composición de la
aleación y de los aditivos utilizados.
El procedimiento precedente describe el
efecto conocido como efecto de memoria de forma
simple (de una sola vía), en el que el material recuerda una sola forma. Mediante un entrenamiento adecuado, algunos materiales con memoria
de forma pueden recordar dos formas diferentes;
una a una temperatura más baja y la otra a una temperatura más elevada, exhibiendo de este modo un
efecto de memoria de forma de dos vías.
Hasta hoy, el fenómeno de memoria de forma
se ha observado en docenas de aleaciones metálicas de dos y tres componentes, de las cuales, junto
con el Nitinol, las aleaciones de cobre-cincaluminio [CuZnAl] y cobre-aluminio-níquel [CuAlNi]
son las más utilizadas. Otro grupo promisorio de
materiales es el de los polímeros con memoria de
forma, que comenzaron a estar disponibles en el
comercio en la década de 1990.4
La primera aplicación comercial de los materiales con memoria de forma fue la de los acoplamientos de tuberías CryoFit, que se contraen para
lograr el ajuste adecuado, desarrollados en 1969
para unir las líneas hidráulicas en los aviones de
combate F-14.5 Los acoplamientos de tubulares
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son fáciles de instalar, colocando el acoplamiento
trabajado y enfriado con nitrógeno líquido en los
extremos de las tuberías a unir y dejándolo que alcance la temperatura ambiente. A medida que el
acoplamiento adquiere temperatura, se contrae y
se acopla sobre las tuberías para formar una
unión hermética (derecha).6 Posteriormente, el
empleo de los acoplamientos con memoria de
forma se extendió a los oleoductos y gasoductos,
los acueductos y otros tipos de caños y tubos. Además se desarrolló una amplia gama de sujetadores diversos con memoria de forma, tales como
anillos y grampas.7
Otra área importante de aplicación de los materiales con memoria de forma es la de la medicina. Los dispositivos médicos con memoria de
forma más fáciles de observar son los aparatos
dentales. Los aparatos a base de Nitinol se utilizaron por primera vez en pacientes en el año 1975 y
se patentaron en 1977.8 Los aparatos dentales tradicionales incluyen un alambre de acero inoxidable, que posee un grado de elasticidad insuficiente
y requiere reajustes frecuentes. En contraposición,
un alambre de Nitinol no sólo es más elástico sino
que además provee una carga constante sobre la
dentadura, por lo que el grado de reajustes que requiere es menor o nulo. Un alambre de Nitinol se
moldea inicialmente para obtener una forma correcta; luego, un ortodoncista lo adosa a la dentadura del paciente, doblándolo como sea necesario.
El calor del cuerpo activa el alambre de Nitinol,
devolviéndolo a la forma moldeada originalmente.
B
C
D
> Fotografía del acoplamiento CryoFit, que se
contrae para lograr el ajuste adecuado (extremo
superior ), y el principio de su utilización (extremo
inferior ). El acoplamiento es trabajado a temperatura ambiente hasta que su diámetro interno es
un poco más pequeño que el diámetro externo de
los tubos a unir (A). Luego, se enfría en nitrógeno
líquido y se expande mecánicamente de manera
que su diámetro interno sea un poco más grande
que el diámetro externo de los tubos (B). El acoplamiento expandido se desliza fácilmente sobre
los extremos del tubo (C). Se coloca en la posición
adecuada y se deja calentar hasta que alcanza la
temperatura ambiente. Durante el proceso de calentamiento, se vuelve a contraer hasta adquirir
su tamaño original, más pequeño, para formar
una unión estanca (D). (Fotografía, cortesía de
Intrinsic Devices, Inc., referencia 5. Dibujos,
cortesía de ATI Wah Chang, referencia 6.)
Un procedimiento similar se utiliza en las
grampas y placas protésicas con memoria de
forma, que aceleran la curación de las fracturas
óseas. No obstante, las aplicaciones médicas verdaderamente vitales de la memoria de forma, y
probablemente las más importantes, corresponden
a la cirugía cardiovascular.9 Un ejemplo es el dispositivo Simon Nitinol Filter, un cedazo de alambre de Nitinol que se inserta en un vaso sanguíneo
para atrapar los coágulos que se desplazan por la
Oilfield Review
corriente sanguínea.10 Los coágulos atrapados se
disuelven gradualmente y de ese modo se evita una
embolia u obstrucción del vaso sanguíneo. El cedazo Simon Nitinol Filter se inserta utilizando un
catéter mientras se encuentra en un estado martensítico deformado y enfriado, y luego se expande
para alcanzar su tamaño completo cuando se calienta con el calor del cuerpo (derecha).
Materiales activados eléctricamente:
inteligentes como la pintura
Se ha creado una amplia gama de aplicaciones
utilizando materiales inteligentes piezoeléctricos.
El efecto piezoeléctrico, también conocido como
efecto piezoeléctrico directo, es la capacidad de
ciertos materiales—minerales, cerámicas y algunos polímeros—para producir una carga eléctrica
en respuesta a un esfuerzo mecánico aplicado.
También puede observarse el efecto inverso, en el
que los materiales piezoeléctricos se deforman en
un campo eléctrico aplicado.
El efecto piezoeléctrico directo fue descubierto en 1880 por los hermanos Pierre y Jacques
Curie, quienes observaron que la compresión de
un corte de placa de cristal de cuarzo, en una
cierta orientación, generaba cargas eléctricas
sobre las caras de la placa opuestas a la dirección
de la compresión: una carga positiva sobre una
cara y una carga negativa sobre la otra. La expansión de la placa de cristal también generaba cargas eléctricas, pero si la carga sobre una cara
durante la compresión era negativa, la carga
sobre esta cara durante la expansión era positiva,
y viceversa. El efecto piezoeléctrico directo tiene
lugar si una deformación elástica de un sólido es
acompañada por una distorsión asimétrica de la
distribución de las cargas positivas y negativas, los
4. Lendlein A y Kelch S: “Shape-Memory Polymers,”
Angewandte Chemie International Edition 41, edición
2 (12 de junio de 2002): 2034–2057.
5. “Use of Shape Memory Alloys in High Reliability
Fastening Applications,” http://www.intrinsicdevices.com/
history.html (Se accedió el 24 de diciembre de 2007).
6. Tuominen S y Wojcik C: “Unique Alloys for Aerospace
and Beyond,” Outlook 16, no. 2 (2do trimestre de 1995),
http://www.wahchang.com/pages/outlook/html/bkissues/
16_02.htm (Se accedió el 24 de diciembre de 2007).
7. Stöckel D: “The Shape Memory Effect: Phenomenon,
Alloys, Applications,” Informe (2000), NDC, Nitinol
Devices & Components, Inc., Fremont, California, EUA,
www.nitinol-europe.com/pdfs/smemory.pdf (Se accedió
el 24 de diciembre de 2007).
8. Andreasen GF: “Method and System for Orthodontic
Moving of Teeth,” Patente de EUA No. 4,037,324
(26 de julio de 1977).
9. Machado LG y Savi MA: “Medical Applications of Shape
Memory Alloys,” Brazilian Journal of Medical and
Biological Research 36, no. 6 (Junio de 2003): 683–691,
www.scielo.br/pdf/bjmbr/v36n6/4720.pdf (Se accedió el
19 de diciembre de 2007).
10. Duerig TW, Pelton AR y Stöckel D: “Superelastic Nitinol
for Medical Devices,” Medical Plastics and Biomaterials
4 (Plásticos Médicos y Biomateriales 4), no. 2 (Marzo de
1997): 30–43.
Verano de 2008
Despliegue del dispositivo Simon Nitinol Filter
Vista frontal
Vista lateral
> Dispositivo Simon Nitinol Filter. El esquema (extremo superior ) muestra el
despliegue del dispositivo en un catéter. Se incluyen además la vista frontal
y la vista lateral en el estado desplegado (extremo inferior ). (Copyright
Brazilian Journal of Medical and Biological Research; utilizado con autorización, referencia 9.)
dipolos o los grupos de dipolos paralelos (dominios de Weiss) en la estructura del sólido, de manera que se induce un momento dipolar total; es
decir, que el sólido se polariza. El efecto piezoeléctrico inverso ocurre si un campo eléctrico aplicado causa tal distorsión de la distribución de las
cargas, dipolos o dominios de Weiss, que se generan distorsiones geométricas, manifestadas como
esfuerzos mecánicos (abajo).
Hasta hoy, la piezoelectricidad ha sido detectada en muchos tipos de materiales. Los hermanos
Curie descubrieron la piezoelectricidad en los minerales naturales, tales como el cuarzo, la turmalina, el topacio y la sal de Rochelle (tetrahidrato
tartrato de sodio y potasio, o KNaC4H4O6·4H2O). De
estos minerales, sólo el cuarzo se utiliza ahora comercialmente. Todos los demás cristales piezoeléctricos simples, importantes desde el punto de
vista práctico—tales como el dihidrofosfato amónico [NH4H2PO4], el ortofosfato de galio [GaPO4],
y los óxidos complejos de galio y lantano—se obtienen en forma artificial.
Sin esfuerzo
Expansión
Piezoelectricidad
Compresión
Piezoelectricidad inversa
> Efectos piezoeléctricos directo e inverso. En el efecto piezoeléctrico
directo, la compresión y la expansión de un material piezoeléctrico genera
cargas eléctricas opuestas sobre las caras respectivas de la muestra
(extremo superior ). En el efecto piezoeléctrico inverso, la aplicación de
voltaje a un material piezoeléctrico produce la deformación Δh (extremo
inferior a la derecha). Este efecto se opone al efecto piezoeléctrico directo,
en el que la deformación Δh produce voltaje (extremo inferior a la izquierda).
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> Efectos de la polarización. Los dipolos en los cerámicos sinterizados son
paralelos sólo dentro de cada dominio, mientras que los dominios se polarizan en forma aleatoria (izquierda). Después de la polarización en el campo
eléctrico intenso Ep, a temperatura elevada, los dominios se alinean en forma
aproximada y la sustancia se vuelve piezoeléctrica (derecha).
Si bien los materiales piezoeléctricos monocristalinos se siguen desarrollando, la clase de
materiales piezoeléctricos más utilizada es ahora
la de los materiales cerámicos piezoeléctricos policristalinos, que poseen rangos mucho más amplios de características útiles y funcionan bajo
condiciones operativas más amplias. Actualmente, el grupo más grande de los materiales cerámicos piezoeléctricos es el de los materiales
consistentes en cristalitas con la estructura de la
perovskita.11 Son óxidos metálicos complejos con
la fórmula general ABO3, donde A y B son cationes de diferentes tamaños. El catión A incluye elementos tales como Na, K, Rb, Ca, Sr, Ba y Pb, y el
B incluye Ti, Sn, Zr, Nb, Ta y W. A veces A y B en
cada caso pueden representar dos o más de estos
cationes, siempre que se satisfagan la estoiquiometría total (por ejemplo, como en el titanato-circonato de plomo, PbZrxTi1-xO3). Los ejemplos
principales de cerámicos piezoeléctricos tipo perovskita son el titanato de bario [BaTiO3] (el primer cerámico piezoeléctrico descubierto), el
titanato de plomo [BaTiO3], el titanato zirconato
de plomo (el material cerámico piezoeléctrico
más utilizado hasta la fecha), el titanato zirconato
de plomo y lantano [Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3] y el
niobato de plomo y magnesio [PbMg1/3Nb2/3O3].12
Después de la fase de sinterización, en los procesos de manufactura, los dipolos en esos cerámicos son paralelos sólo dentro de cada dominio,
mientras que los dominios se polarizan en forma
aleatoria.13 Una deformación elástica de un conjunto
de dipolos polarizados aleatoriamente no puede conducir a una distorsión asimétrica de la distribución
de la carga y, por consiguiente, no puede producir
piezoelectricidad. En consecuencia, la última etapa
de la fabricación de los cerámicos piezoeléctricos es
siempre la aplicación de un campo eléctrico intenso
a temperatura elevada, luego de lo cual los dominios se polarizan en forma aproximadamente idéntica y la sustancia se vuelve piezoeléctrica (arriba).
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Algunos polímeros pueden ser piezoeléctricos
o hacerse piezoeléctricos. La piezoelectricidad fue
descubierta o desarrollada en una serie de polímeros naturales, incluyendo la queratina, el colágeno,
algunos polipéptidos y películas orientadas de
DNA, y los polímeros sintéticos, tales como algunos nilones y la poliurea. No obstante, en la actualidad, los únicos polímeros piezoeléctricos que se
consiguen en el comercio son el difluoruro de
polivinilo (PVDF) y sus copolímeros con trifluoroetileno y tetratrifluoroetileno.14 El PVDF es un polímero sintético semicristalino con la fórmula
química (CH2–CF2)n. El PVDF se produce en películas delgadas, que se estiran a lo largo del plano
de la película y se polarizan en sentido perpendicular a este plano, para producir las propiedades
piezoeléctricas (derecha).
Dado que los materiales piezoeléctricos pueden convertir la energía mecánica en energía
eléctrica y viceversa, entre sus aplicaciones predominan diversos sensores y activadores electromecánicos. El efecto piezoeléctrico se utiliza en
los sensores para diversos parámetros físicos
(tales como la fuerza, la presión, la aceleración,
el impacto lateral y la yaw rate), y en los micrófonos, hidrófonos, sensores ultrasónicos, sensores
sísmicos, detectores acústicos y muchos otros dispositivos.
Un ejemplo interesante de un sensor piezoeléctrico de distribución constante es el de las pinturas piezoeléctricas o inteligentes.15 Este tipo de
pintura puede prepararse utilizando polvo cerámico a base de titanato-circonato de plomo, como
pigmento, con resina epóxica como aglomerante.
La mezcla se aplica sobre una superficie y se cura
y polariza a temperatura ambiente. La película de
pintura resultante actúa como un sensor de vibraciones y emisiones acústicas para la superficie entera. Estas pinturas inteligentes pueden ser
utilizadas para cubrir superficies grandes de elementos estructurales individuales e incluso cons-
trucciones enteras, tales como puentes, para monitorear su integridad. Las pruebas controladas
de alteración al aire, efectuadas recientemente
en puentes que cruzan ríos en el Reino Unido y
Finlandia, han demostrado que los sensores de
pintura piezoeléctrica pueden subsistir en condiciones exteriores rigurosas y conservar su funcionalidad durante seis años como mínimo.16
Otros ejemplos importantes de activadores
piezoeléctricos son los altoparlantes, los motores
piezoeléctricos y los micro-activadores de alta precisión. Los micro-activadores de alta precisión utilizan el hecho de que los cambios pequeños,
producidos en el voltaje aplicado a los materiales
piezoeléctricos, producen cambios pequeños en su
forma. Esto permite el control fino de las posiciones y desplazamientos de piezas y elementos, que
es crucial en la operación de una diversidad de dis-
Moldeado por fusión
Región
cristalina
Región
amorfa
Orientación mecánica
Dirección de
estiramiento
Polarización eléctrica
Dirección del campo eléctrico
Después de la polarización
Ep
Antes de la polarización
> Tratamiento con difluoruro de polivinilideno
(PVDF) para impartir las propiedades piezoeléctricas. En una película de polímero moldeado por
fusión, las cristalitas (de decenas de cientos de
nanómetros de tamaño) se distribuyen en forma
aleatoria entre regiones amorfas (extremo superior ). El estiramiento de la película de polímero
(centro) alinea significativamente las cadenas poliméricas en las regiones amorfas del plano de la
lámina, y facilita la rotación uniforme de las cristalitas por la acción de un campo eléctrico. La polarización a través del espesor de la película (tal
como mediante el empleo de electrodos metálicos
depositados), hace que la película sea piezoeléctrica (extremo inferior ). (Figura, cortesía de la
NASA; utilizada con autorización, referencia 14.)
Oilfield Review
Verano de 2008
Fluido magnetorreológico
Fluido portador
Partículas ferrosas
Dirección del campo magnético
positivos que van desde los cabezales de impresión
de chorro de tinta hasta los sistemas de guía.
La clase más significativa de dispositivos piezoeléctricos es la constituida por los generadores
ultrasónicos piezoeléctricos que, a diferencia de
los generadores magnetostrictivos u otros tipos de
generadores ultrasónicos, proveen la generación
más eficiente de ultrasonido con potencia y frecuencia controladas. El ultrasonido en esos generadores se produce utilizando el efecto piezoeléctrico
inverso. Aquí, una aplicación cíclica de voltaje a
un material piezoeléctrico hace que éste se expanda y se contraiga, emitiendo de ese modo una
onda de presión.
La creación de los generadores ultrasónicos
piezoeléctricos ha abierto el camino para una
serie de aplicaciones extremadamente vasta. La
primera aplicación práctica de la piezoelectricidad fue un generador ultrasónico de cuarzo piezoeléctrico en un sonar activo, diseñado para
detectar submarinos durante la Primera Guerra
Mundial, en el año 1915.17 Desde entonces, esta
aplicación ha crecido para convertirse en una recopilación extensiva de métodos de detección de
inhomogeneidades en diversos medios. El proceso
de detección de defectos que utiliza la tecnología
ultrasónica prueba una amplia gama de materiales y construcciones, incluyendo diversas tuberías
y líneas de conducción. Para el público general,
la aplicación más común es la ultrasonografía médica; una técnica de visualización de los tejidos y
órganos internos del cuerpo, especialmente la ultrasonografía obstétrica para la visualización de
un embrión o un feto en el útero, que se ha convertido en un procedimiento estándar de las prácticas de cuidado prenatal en muchos países.
Los dispositivos piezoeléctricos también se encuentran en numerosas aplicaciones de campos
petroleros. Un elemento piezoeléctrico de cuarzo
es una parte importante del Sensor de Cristal de
Cuarzo (CQG) de Schlumberger, que se utiliza
como sensor de presión en una amplia diversidad
de herramientas. Los dispositivos cerámicos piezoeléctricos también desempeñan un rol clave dentro del instrumental de adquisición de registros
sísmicos, sónicos y ultrasónicos de Schlumberger:
como emisores de ultrasonidos e hidrófonos en el
sistema de sísmica marina con sensores unitarios
Q-Marine y en el sistema sísmico de fondo marino
con componentes múltiples Q-Seabed, y como receptores y transmisores monopolos en la plataforma de barrido acústico Sonic Scanner, el
servicio de evaluación de la calidad del cemento
Isolation Scanner, y la herramienta de adquisición
de registros sónicos durante la perforación sonicVISION. Si bien las aplicaciones actuales se limitan a los sensores, en aplicaciones de campos
petroleros futuras podría utilizarse el efecto pie-
Cadenas de partículas
alineadas con el campo
> Aplicación de un campo magnético a los fluidos magnetorreológicos (MR).
Sin un campo magnético, las partículas ferrosas se distribuyen en forma
aleatoria en un aceite no magnético para formar un fluido MR (extremo superior ). Una vez que se aplica un campo magnético, las partículas se alinean con el campo magnético para formar cadenas, incrementando
sorprendentemente la viscosidad en la dirección perpendicular a la dirección del campo (extremo inferior ).
Materiales activados magnéticamente: la
resistencia rápida de las partículas diminutas
Otra categoría de materiales inteligentes es la de
los fluidos magnetorreológicos (MR). Estos fluidos poseen propiedades reológicas que pueden
modificarse mediante la aplicación de un campo
magnético. El cambio es proporcional a la intensidad del campo magnético, puede ser controlado
con un alto grado de precisión mediante la modificación de esta intensidad y es inmediatamente
reversible después de remover el campo.
Un fluido MR típico es una suspensión de partículas micrónicas (cuyo tamaño oscila normalmente entre 3 y 8 micrones), magnéticamente
susceptibles (en general un 20 a un 40% por volu-
men de partículas de hierro puro) en un fluido
portador, tal como aceite mineral, aceite sintético,
agua o glicol.18 Además, a los fluidos MR se agregan diversos surfactantes, incluyendo ácido oleico
y ácido cítrico, hidróxido de tetrametilamonio y
lecitina de soja, para evitar que las partículas se
precipiten. Los sistemas de materiales MR pueden fabricarse en forma de geles, espumas, polvos, grasas e incluso elastómeros sólidos.
Sin un campo magnético, las partículas en un
fluido MR se distribuyen en forma aleatoria. Una
vez aplicado un campo magnético, las partículas
se alinean con el campo magnético para formar
cadenas, que resisten el flujo o la deformación de
corte en la dirección perpendicular a la dirección
del campo magnético e incrementan significativamente la viscosidad (o más precisamente, la
resistencia elástica) en esta dirección (arriba).
11. La perovskita (que recibió su nombre de Lev A. Perovski,
un mineralogista ruso) es un titanato de calcio natural
[CaTiO3] con una red seudocúbica. Esta clase de sólidos
incluye numerosos cerámicos tecnológicamente
importantes, tales como los semiconductores y los
materiales magnéticos, ferroeléctricos y piezoeléctricos.
12. Kholkin A, Jadidian B y Safari A: “Ceramics,
Piezoelectric and Electrostrictive,” en Schwartz MM
(ed): Encyclopedia of Smart Materials (Enciclopedia de
Materiales Inteligentes). Ciudad de Nueva York: John
Wiley & Sons (2002): 139–148.
13. La sinterización es un método de desarrollo de objetos
a partir de un material granular, que es calentado hasta
que casi alcanza su punto de fusión y sus partículas se
adhieren entre sí.
14. Harrison JS y Ounaies Z: “Piezoelectric Polymers,”
Informe ICASE No. 2001-43, NASA/CR-2001-211422,
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/
20020044745_2002075689.pdf (Se accedió el 24 de
diciembre de 2007). (Se agregó color a la figura original).
15. Egusa S e Iwasawa N: “Piezoelectric Paints as One
Approach to Smart Structural Materials with HealthMonitoring Capabilities,” Smart Materials and
Structures 7 (Materiales y Estructuras Inteligentes 7),
no. 4 (Agosto de 1998): 438–445.
Egusa S e Iwasawa N: “Piezoelectric Paints:
Preparation and Application as Built-In Vibration
Sensors of Structural Materials,” Journal of Materials
Science 28, no. 6 (Marzo de 1993): 1667–1672.
16. Hale JM y Lahtinen R: “Piezoelectric Paint: Effect of
Harsh Weathering on Aging,” Plastics, Rubber and
Composites 36 (Plásticos, Caucho y Compuestos 36),
no. 9 (Noviembre de 2007): 419–422.
17. El término sonar, abreviatura que corresponde a la
expresión inglesa sound navigation and raging
(navegación y medición por sonido), es una técnica
que utiliza ondas acústicas submarinas para detectar
y localizar objetos sumergidos. Los sonares activos
producen un impulso sonoro y luego escuchan las
reflexiones del impulso. Los equipos de sonar pasivos
sólo escuchan los sonidos submarinos sin que exista
transmisión.
18. Henrie AJM y Carlson JD: “Magnetorheological Fluids,”
en Schwartz MM (ed): Encyclopedia of Smart Materials
(Enciclopedia de Materiales Inteligentes). Ciudad de
Nueva York: John Wiley & Sons (2002): 597–600.
zoeléctrico para el aprovechamiento energético y
los micro-activadores.
39
Pierna protésica
Sistema de amortiguamiento magnetorreológico
Cables al
electromagneto
Pistón
Cojinete y sello
Fluido MR
Sistema de
amortiguamiento MR
Dispositivos de control
Bobina
Canal de
flujo anular
Diafragma
Acumulador
> Esquema del amortiguador con fluido MR Motion Master (LORD Corporation) en la rodilla artificial
de la prótesis de pierna Smart Magnetix (Biedermann Motech) (izquierda) y esquema del amortiguador
con fluido MR (derecha). (Utilizado con la autorización de LORD Corporation, referencia 22.)
No bien se remueve el campo magnético, las cadenas de partículas se desintegran (a través de las
fuerzas Brownianas aleatorias) y se restituye la
viscosidad inicial.
Los fluidos MR fueron descubiertos en la década de 1940 y comienzos de la década de 1950 en
la Oficina Nacional de Normas de Gaithersburg,
en Maryland.19 Se desarrollaron varios dispositivos en base a polvos magnéticos secos, tales como
los frenos de polvo magnético. No obstante, estos
primeros fluidos y dispositivos MR poseían una duración y una estabilidad limitadas, y fue recién a
comienzos de la década de 1990 que el avance registrado en la ciencia de materiales y en los componentes electrónicos de control renovó el interés
en estos materiales.
Los fluidos MR atraen el interés por su capacidad singular para experimentar un incremento rápido y abrupto de la viscosidad, correspondiente a
una transición casi instantánea a un estado semisólido, en respuesta a la aplicación de un campo
magnético. La restitución de la viscosidad inicial,
después de remover el campo magnético, es igualmente rápida con un tiempo de respuesta de tan
sólo 6.5 ms.20 Por lo tanto, los fluidos MR han sido
40
utilizados mayormente en diversos sistemas de
amortiguamiento. Los fluidos MR fueron comercializados por primera vez en 1995 en los frenos
rotativos hidráulicos para los equipos utilizados
en ejercicios aeróbicos. Otros productos que utilizan fluidos MR, disponibles en el mercado, son los
amortiguadores para los sistemas de control de vibraciones en tiempo real, utilizados en los camiones de servicio pesado, los amortiguadores de
choques ajustables para las carreras de autos en
pistas ovales y pistas de tierra, y los amortiguadores lineales para el control del paso en tiempo real
en los dispositivos protésicos de avanzada.21
Un ejemplo de esta última aplicación es el
amortiguador con fluido MR Motion Master de la
pierna protésica Smart Magnetix (arriba).22 Este
amortiguador con fluido MR responde 20 veces
más rápido que los diseños mecánicos o hidráulicos previos, de última generación. El tiempo de
respuesta total, 40 ms, es similar al tiempo de respuesta para las señales de la rodilla humana.23
Este mejoramiento ayuda al nuevo protésico a simular el movimiento natural en forma más exacta
y lo hace más conveniente para el usuario.
Otra clase de materiales activados magnéticamente es la constituida por las sustancias magnetostrictivas. La magnetostricción es la propiedad
de los materiales ferromagnéticos que cambian su
forma en respuesta a la aplicación de un campo
magnético.24 La magnetostricción fue descubierta
en 1842 por James P. Joule, quien observó que el
largo de una muestra de hierro cambiaba luego de
la aplicación de un campo magnético. Junto con
este efecto, también conocido como efecto Joule,
existe un efecto recíproco, el efecto Villari, en el
que la aplicación de un esfuerzo a un material
produce un cambio en su magnetización.
Este comportamiento se asemeja tanto al
efecto piezoeléctrico directo y como al efecto piezoeléctrico inverso. De hecho, los mecanismos
macroscópicos de la piezoelectricidad y la magnetostricción se asemejan entre sí, con la diferencia
de que los efectos piezoeléctricos son determinados por la acción de un campo eléctrico sobre las
cargas, los dipolos eléctricos o los dominios de los
dipolos eléctricos, mientras que los efectos magnetostrictivos son controlados por la acción de un
campo magnético sobre los dominios magnéticos;
regiones de magnetización uniforme. Un campo
magnético aplicado a una muestra ferromagnética
desplaza los dominios magnéticos, produciendo
cambios detectables macroscópicamente en la
forma y el tamaño de la muestra. E, inversamente,
la aplicación de un esfuerzo produce un desplazamiento mecánico de los dominios magnéticos,
alterando de ese modo la magnetización de la
muestra.
El efecto magnetostrictivo directo (Joule) se
utiliza en los activadores magnetostrictivos, mientras que el efecto Villari se utiliza en los sensores
magnetostrictivos. Entre las aplicaciones de la
magnetostricción se encuentran los receptores telefónicos, los hidrófonos, los generadores ultrasónicos magnetostrictivos para los sonares, los
motores lineales y rotacionales, y diversos sensores
de deformación, movimiento, posición y fuerza.
Materiales químicamente activos:
cuán extraordinarios son
La activación química de los materiales es un tema
prácticamente inacabable. En este artículo, abordamos solamente la activación química de los polímeros ante la exposición a los líquidos. Este
fenómeno es suficientemente general como para
tener lugar en la vida cotidiana y además, suficientemente específico como para sustentar aplicaciones inteligentes, incluyendo algunas aplicaciones
en el campo petrolero. La mayoría de las personas ha observado el fenómeno de hinchamiento
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intencional y no intencional de los polímeros en la
vida cotidiana. Por ejemplo, el derrame de café o
té sobre un libro hace que el polímero natural celulosa contenido en el papel del libro aumente de
volumen, y en la preparación de postres de gelatina
se hace uso de la propiedad del polímero gelatina
que se hincha en el agua. No obstante, este comportamiento de hinchamiento también puede ser
perjudicial: las compañías industriales pueden incurrir en pérdidas importantes si una junta hecha
con un polímero inadecuado para las condiciones
operativas existentes, por pequeña que sea, se dilata y se degrada produciendo una fuga u otras consecuencias peligrosas.
Por otro lado, las personas durante mucho
tiempo hallaron formas de utilizar las propiedades de hinchamiento de los polímeros en forma
controlable, como en las áreas de elaboración de
alimentos, medicina (materiales absorbentes),
equipos para derrames químicos y construcción
(diversos rellenos). Un ejemplo de la aplicación
moderna del hinchamiento controlable de los polímeros en la medicina es el de los sistemas de liberación de fármacos previstos.25 La forma más
simple de este tipo de sistema es una cápsula con
un núcleo que contiene el fármaco y una cobertura
con capacidad de hinchamiento. Las propiedades
de la cobertura están diseñadas para que ésta se
hinche gradualmente y el fármaco sea liberado a
determinadas velocidades y en determinados lugares, a medida que la cápsula es transportada a
través del tracto gastrointestinal. Los diseños más
intricados incluyen cápsulas de capas y fármacos
múltiples, a veces provistas de orificios especiales para la liberación de los fármacos.
Los polímeros con capacidad de hinchamiento
están comenzando a utilizarse en aplicaciones de
campos petroleros. Se emplean en empacadores
con capacidad de dilatación para el aislamiento
por zonas y el control eficiente de la producción
de agua en el pozo (arriba, a la derecha). Para el
aislamiento por zonas, se baja en el pozo una serie
de empacadores sensibles al petróleo, sin dilatar.
Si se exponen al petróleo, se dilatan y sellan la formación, creando intervalos aislados entre sí. Para
el control del agua, se instala en el pozo un empacador de polímero (elastomérico o compuesto)
sensible al agua, sin dilatar. Si incursiona agua en
el pozo, el empacador se dilata y sella el pozo en
esa posición, aislando el intervalo de manera que
se reduce el influjo de agua y se incrementa la
producción de petróleo.26
Los empacadores con capacidad de dilatación
poseen ventajas, en comparación con los conven-
Verano de 2008
Casquetes antiextrusión
Empacador dilatable
Dilatación
> Fotografía (extremo superior ), diagrama esquemático (centro) e ilustración de la dilatación
(extremo inferior ) de un empacador dilatable.
cionales, ya que en general son más económicos,
no contienen partes móviles y no requieren ningún mecanismo de accionamiento mecánico o hidráulico. Todas las funciones de estos elementos
son ejecutadas por una sola pieza de material inteligente polimérico.
Una historia temprana de éxito de los polímeros
con capacidad de hinchamiento tuvo lugar durante
la Segunda Guerra Mundial, cuando se utilizaron
materiales de caucho con capacidad de hinchamiento en los tanques autosellados para combustible de los aviones.27 Un tanque autosellado
19. Rabinow J: “Magnetic Fluid Torque and Force
Transmitting Device,” Patente de EUA No. 2,575,360
(20 de noviembre de 1951).
Rabinow J: “The Magnetic Fluid Clutch,” Transactions
of the American Institute of Electrical Engineers 67
(Actas del Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos
67) (1948): 1308–1315.
20. Weiss KD, Duclos TG, Carlson JD, Chrzan MJ y Margida
AJ: “High Strength Magneto- and Electro-Rheological
Fluids,” Society of Automotive Engineers Technical
Paper Series (Serie de Artículos Técnicos de la
Sociedad de Ingenieros Automotrices), no. 932451,
Warendale, Pensilvania, EUA (1993): 1–6.
21. Carlson JD y Sproston JL: “Controllable Fluids in
2000—Status of ER and MR Fluid Technology,” artículo
presentado en Actuator 2000—7a. Conferencia
Internacional sobre Activadores Nuevos, Bremen,
Alemania, 19 al 21 de junio de 2000.
22. http://www.lord.com/Home/MagnetoRheologicalMRFluid/
Applications/OtherMRApplicationSolutions/Medical/tabid/
3791/Default.aspx (Se accedió el 5 de enero de 2008).
23. Bullough WA: “Fluid Machines,” in Schwartz MM (ed):
Encyclopedia of Smart Materials (Enciclopedia de
Materiales Inteligentes). Ciudad de Nueva York: John
Wiley & Sons (2002): 448–456.
24. Un material ferromagnético no sólo puede magnetizarse
en un campo magnético externo sino que permanece
magnetizado después de remover el campo. Algunos
ejemplos de materiales ferromagnéticos son el hierro,
el níquel, el cobalto, algunos elementos del grupo tierras
raras y algunas aleaciones y compuestos de estos
elementos.
25. Wise DL (ed): Handbook of Pharmaceutical Controlled
Release Technology. Ciudad de Nueva York: Marcel
Dekker, 2002.
26. http://www.tamintl.com/pdf/FreeCapAd1JPT.pdf
(Se accedió el 11 de enero de 2008).
27. Gustin E: “Fighter Armour,” http://www.geocities.com/
CapeCanaveral/Hangar/8217/fgun/fgun-ar.html (Se
accedió el 28 de febrero de 2008).
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Catalizador
Microcápsula
Fisura
Agente reparador
Agente reparador polimerizado
> Material autorreparable en el que se encastran microcápsulas de 200
micrones que contienen un agente reparador polimerizable y partículas
catalíticas de polimerización. El daño produce la propagación de la fisura
(extremo superior ); la fisura rompe las microcápsulas, liberando un agente
reparador (centro); el agente reparador se pone en contacto con el catalizador, polimeriza y cura el área dañada (extremo inferior ). (Adaptado con
autorización de Macmillan Publishers Ltd., referencia 29.)
constaba de dos capas de caucho; la capa externa
era de caucho curado y la interna de caucho sin
curar, con capacidad de hinchamiento ante la exposición al petróleo. La capa interna estaba revestida con un material impermeable al combustible
para evitar el contacto del caucho no curado con el
combustible mientras el tanque se mantenía intacto. Si una bala u otro proyectil perforaba el tanque, el combustible se derramaba y se ponía en
contacto con el caucho no curado, que se hinchaba
y de ese modo sellaba la perforación. Este tipo de
tanque autosellado aún se sigue utilizando.
Estos materiales de caucho autosellado pueden ser considerados los predecesores del con-
cepto moderno de los materiales autorreparables.
En éstos últimos, un agente reparador no forma
una capa adyacente sino que está encerrado en
microcontenedores, tales como microcápsulas o
microfibras huecas, y se distribuye uniformemente por todo el material a proteger.28 En los materiales poliméricos autorreparables, el agente
reparador es habitualmente el correspondiente
polímero no curado. Si un material polimérico autorreparable se daña, estos microcontenedores se
rompen y liberan el agente reparador, que se infiltra en la zona donde se localiza el daño, se polimeriza—si es necesario, se agrega al volumen de
material un catalizador de polimerización—y de
28. Shah AD y Baghdachi J: “Development and
Characterization of Self-Healing Coating Systems,”
http://www.emich.edu/public/coatings_research/
AmitPresentation.pdf (Se accedió el 14 de enero
de 2008).
29. White SR, Sottos NR, Geubelle PH, Moore JS, Kessler
MR, Sriram SR, Brown EN y Viswanathan S: “Autonomic
Healing of Polymer Composites,” Nature 409 (15 de
febrero de 2001): 794–797.
30. “Self-Healing Composite Materials,”
http://www.aer.bris.ac.uk/research/fibres/sr.html
(Se accedió el 14 de enero de 2008).
31. Moroni N, Panciera N, Zanchi A, Johnson CR,
LeRoy-Delage S, Bulte-Loyer H, Cantini S, Belleggia E
e Illuminati R: “Overcoming the Weak Link in Cemented
Hydraulic Isolation,” artículo SPE 110523, presentado
en la Conferencia y Exhibición Técnica Anual de la SPE,
Anaheim, California, 11 al 14 de noviembre de 2007.
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este modo cura el área dañada (izquierda).29 Este
procedimiento imita las funciones autocurativas de
los tejidos biológicos, cuya respuesta al daño es a
menudo la secreción de fluidos curativos. Para simular aún más la actividad natural, existen algunas propuestas que sugieren el punzado de un
material con una red vascular para transportar un
agente reparador que circule por todo el material.30
Los materiales autorreparables también están
comenzando a tener éxito en las aplicaciones de
campos petroleros. Por ejemplo, Schlumberger
anunció recientemente la disponibilidad de su
tecnología de cemento activo fraguado FUTUR
que sella automáticamente las microfugas existentes en un revestimiento de cemento (véase
“Aseguramiento del aislamiento por zonas más
allá de la vida productiva del pozo,” página 20). El
sistema de cementación FUTUR, que se bombea y
coloca de la misma forma que cualquier cemento
ordinario, contiene componentes que permanecen inactivos hasta que son expuestos a los hidrocarburos como los que se filtran a través de
microfugas en el revestimiento de cemento. El
contacto con los hidrocarburos activa el revestimiento elaborado con la tecnología de cemento
FUTUR, que se autorreparará en unas pocas horas
sin necesidad de ningún tipo de intervención.
Esto impide que se produzcan muchos eventos indeseados después de fraguado el cemento, tales
como la migración anular de fluidos entre zonas
de la tubería de revestimiento, la presión sostenida de la tubería de revestimiento en la superficie, las fugas de la tubería de revestimiento de
superficie y los flujos cruzados.31
Hacia los materiales inteligentes innovadores
Estos ejemplos de materiales y procesos son sólo
un pequeño muestreo del mundo de los materiales
inteligentes y sus aplicaciones. Los materiales inteligentes son abundantes y pueden encontrarse
en una diversidad de dispositivos, que abarcan
desde los encendedores y los dispositivos de encendido piezoeléctricos simples hasta el instrumental ultrasónico complejo.
Incluso los materiales comunes pueden hacerse inteligentes o sensibles. El cemento autorreparable constituye un ejemplo de un material
cotidiano abundante, que ha sido diseñado para
adoptar propiedades inteligentes para aplicaciones en campos petroleros. Es probable que a nuestro alrededor existan candidatos prometedores
para la adaptación de materiales inteligentes, esperando ser descubiertos.
Oilfield Review
La investigación de los materiales inteligentes
constituye una de las nuevas direcciones de las actividades de investigación en el Centro de Investigaciones Doll de Schlumberger en Cambridge,
Massachusetts, e incluye la definición y ejecución
de un mapa del camino para la tecnología de accionamiento en diversas aplicaciones de campos
petroleros.
Una parte importante de la implementación
del mapa del camino es la definición y el desarrollo de los pilares tecnológicos comunes que pueden integrarse de diversas maneras para proveer
las aplicaciones de la tecnología de accionamiento.
Esto se logrará mediante el estudio de los sistemas de accionamiento—activadores, sensores,
componentes dinámicos y control de los sistemas,
y mecanismos innovadores—y la aplicación de
materiales inteligentes para inventar sistemas de
accionamiento nuevos (derecha).
> Una investigadora (arriba) estudia las propiedades termomecánicas de una muestra de un
material en el Centro de Investigaciones Doll de
Schlumberger (SDR) en Cambridge, Massachusetts
(abajo, a la izquierda).
Si bien los investigadores de la ciencia de los
materiales están entusiasmados con el enorme
potencial de los materiales inteligentes, es poco
probable que estos materiales nuevos suplanten
a los materiales estándar que utilizamos todos los
días. La vasta mayoría de los materiales son estructurales; seleccionados no sólo por sus propiedades sino porque son económicos y abundantes.
Los materiales inteligentes, al igual que otros materiales funcionales, incluyendo los filamentos de
tungsteno de los focos de luz, el alambre de platinorodio de las termocuplas y las puntas de diamante
de las barrenas de perforación, habitualmente tienen aplicaciones de poco volumen. Estas aplicaciones requieren propiedades singulares para las
cuales los sustitutos son escasos o inexistentes, y,
por consiguiente, el costo no constituye un problema. En relación con las herramientas sofisticadas de los campos petroleros, los materiales
inteligentes pueden permitir la implementación
de nuevas tecnologías, la miniaturización de piezas y la confiabilidad mejorada en el ambiente de
fondo de pozo cada vez más riguroso.
—VG
Verano de 2008
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