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miércoles, 18 de mayo de 2016

Materiales del futuro

I - Superconductores

La superconductividad fue descubierta en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes, quien observó que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía al llegar a los 4°K (-269°C). Cabe recordar que 0°K corresponde a -273°C. La superconductividad se ha observado en diferentes tipos de materiales como: el aluminio, el estaño y otras aleaciones, sin embargo, esto no ocurre en metales nobles como el oro o la plata, ni en la mayoría de los metales ferromagnéticos.

Los conductores normales presentan pérdidas cuando circulan corrientes en su interior. Esto se debe a que la resistencia que poseen, al paso de una corriente eléctrica, transforma parte de la energía eléctrica en energía térmica. Sin embargo, algunos materiales se comportan de forma extraña a muy bajas temperaturas. Estos materiales, denominados como "superconductores", cuando se ven sometidos a una temperatura mayor que una cierta temperatura crítica (diferente para cada material), presentan una alta resistencia, por lo general mucho mayor que un conductor normal, y de esta manera se afirma que el material se encuentra en su "estado normal". 

Por el contrario, por debajo de la temperatura crítica presentan un fenómeno en el cual la resistencia eléctrica disminuye muy rápido hasta llegar a cero, se dice entonces que el material se encuentra en su "estado superconductor". Otra de las propiedades que caracteriza a estos materiales es la expulsión de un campo magnético en el estado de superconducción, conocida más popularmente como el "Efecto Meissner". Esta última es la propiedad esencial del estado superconductor. 

Las propiedades que cambian en la transición del estado normal al estado superconductor son, principalmente, las propiedades magnéticas. En el estado superconductor puro casi no hay penetración de flujo magnético en el material y los efectos termoeléctricos desaparecen. Se han encontrado diferentes materiales que se vuelven superconductores por enfriamiento, cada uno en su temperatura crítica propia. Algunas temperaturas críticas son de apenas unos pocos grados Kelvin, lo que implica un esfuerzo tecnológico importante el acceder a tan bajas temperaturas. En los últimos años ha sido posible diseñar materiales cuyas temperaturas críticas rondan las decenas de grados Kelvin, lo que en cierta medida facilita su estudio y utilización.

Hay dos razones fundamentales por las que estos materiales despiertan tanto interés. La primera es de índole económica y es que, para hacer uso de las propiedades superconductoras de un material, hay que enfriarlo por debajo de una temperatura crítica. Por lo tanto, cuanto más baja sea la temperatura a la que se debe trabajar, mayores serán los costes de refrigeración. Si para alcanzar el estado de superconductividad debe operarse a temperaturas inferiores a los 20 K, será necesario emplear helio líquido. A temperaturas más altas se puede trabajar con hidrógeno, pero por encima de 80 K se puede usar aire líquido, uno de los materiales refrigerantes más baratos que existen. Cuando se superen ciertos inconvenientes de carácter técnico, los nuevos superconductores se podrán utilizar a escala industrial sin mayores costes de refrigeración.

Los superconductores se pueden clasificar atendiendo a varios aspectos, así como también los materiales que los componen. Si los clasificamos según la temperatura a la que son superconductores, se subdividen en superconductores de alta o de baja temperatura. Sin embargo, la clasificación más utilizada es según su comportamiento físico. Así, se distinguen dos tipos de superconductores:
  • Superconductores de tipo I, que impiden que los campos magnéticos penetren en ellos. Se trata de elementos puros con una temperatura crítica muy baja.
  • Superconductores de tipo II, que son denominados "imperfectos" porque permiten que los campos magnéticos penetren en su interior, pasando gradualmente del estado superconductor al normal. Entre ellos se encuentran aleaciones y sustancias cerámicas.

Las principales aplicaciones se encuentran relacionadas con sus propiedades magnéticas, siendo utilizados en campos tan dispares como el transporte o la medicina. Al ser enfriados y sometidos a un campo magnético, pueden llegar a levitar. Por consiguiente, se intenta emplearlos en trenes de alta velocidad, pues esta levitación evita el roce con las vías y permite un aumento considerable de la velocidad (hasta alcanzar los 550 km/h).

Asimismo se utilizan en medicina, para las resonancias magnéticas nucleares o en el estudio de moléculas (espectroscopia de resonancia magnética nuclear). También en sistemas de transporte de energía. Al ser casi nula la resistencia que ejercen, permiten transportar electricidad a grandes distancias sin que esta se disipe en el entorno en forma de calor. Por otro lado, los campos magnéticos intensos son necesarios para controlar los reactores de fusión nuclear, aún experimentales, que serían una forma alternativa de producción de energía no contaminante. Además, la posibilidad de tener materiales con resistencia nula permitiría almacenar de modo eficiente energía eléctrica.

II - Grafeno

El grafeno es el material más fascinante de la Historia por su disposición atómica perfecta, en la que los átomos están unidos mediante enlaces covalentes en armonía. Este es uno de los materiales más duros y fuertes existentes. Además, es altamente rígido, soportando gran fuerza sin apenas deformarse. Se trata de un material extremadamente ligero, con una densidad de tan solo 0,77 miligramos por metro cuadrado. También cabe destacar que soporta grandes fuerzas de flexión, es decir, se puede doblar sin que se rompa.

Representación artística del grafeno
El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en patrón regular hexagonal, en una hoja de un átomo de espesor. El Premio Nobel de Física de 2010 fue otorgado a Andréy Gueim y a Konstantín Novosiólov por sus revolucionarios descubrimientos acerca de este increíble material.


Micrografía HRTEM (High Resolution Transmission Electron Microscopy) de grafeno.
El repentino aumento del interés científico por el grafeno puede dar la impresión de que se trata de un material nuevo, pero, en realidad, se conoce y se ha descrito desde hace más de medio siglo. En este sentido, al grafeno se le ha definido como hidrocarburo aromático policíclico, infinitamente alternante de anillos de solo seis átomos de carbono. La palabra grafeno se adoptó oficialmente en 1994. La posibilidad de combinarse con otras sustancias químicas le otorga en la actualidad un gran potencial de desarrollo.

Entre las propiedades destacadas de este material se incluye que:
  • Es extremadamente duro: 200 veces más resistente que una hipotética lámina de acero del mismo espesor.
  • Es muy flexible y elástico.
  • Es transparente.
  • Posee conductividad térmica y eléctrica muy altas.
  • Produce reacción química con otras sustancias para generar compuestos de diferentes propiedades, lo cual lo dota de gran potencial de desarrollo.
  • Sirve de soporte de radiación ionizante.
  • Tiene gran ligereza, como la fibra de carbono, pero es todavía más flexible.
  • Posee un menor efecto Joule, o sea, se calienta menos al conducir los electrones.
  • Para ejecutar la misma tarea que el silicio, presenta un menor consumo de electricidad.
  • Genera electricidad al ser alcanzado por la luz.
  • Condensa una superficie/volumen muy altos, lo cual le otorga un buen futuro en el mercado de los supercondensadores.
  • Se puede dopar introduciendo impurezas para cambiar su comportamiento primigenio de manera que, por ejemplo, no repela el agua o que incluso cobre mayor conductividad.
  • Cuando una lámina de grafeno sufre daños y se quiebra su estructura, se genera un ‘agujero’ que ‘atrae’ átomos de carbono vecinos para así tapar los huecos.
  • En su forma óxida absorbe residuos radioactivos.
  • Su alta resistencia mecánica molecular se ha probado para proteger los cascos de todo tipo de barcos, con una resistencia a la rotura superior al 40% de los polímeros actuales.
Entre las aplicaciones clásicas del grafeno se destacan:
  • Biosensores moleculares basados en el grafeno con unas capacidades electroquímicas capaces de ser sensibles a diminutas partículas por millón P.P.M. y una sensibilidad a la luz con posibilidades de captar la radiación infrarroja de una forma barata y sencilla.
  • Teléfonos móviles con una capacidad de carga energética nunca vistas antes: 5 minutos para cargar una batería que tendrá 10 horas de autonomía.
  • Las baterías de los coches basadas en el grafeno no solo permitirán la carga rápida, sino que también será posible almacenar hasta 10 veces más energía en el mismo espacio.
  • Inmensas cantidades provenientes de la luz solar y eólica se podrían almacenar para su utilización cuando no haya ni sol ni viento, abriendo una posibilidad real al cambio energético.
  • La contaminación ambiental y la acústica de las grandes ciudades entrarían en un retorno irremediable a su limpieza y silencio.
  • Sustituirá materiales finitos y caros en el mercado de materias primas y de tierras raras.
  • La industria petrolera se beneficiará de prospecciones más exactas y limpias.
  • Sustituirá el óxido de indio y el estaño para los electrodos transparentes.
  • Científicos han logrado crear luz a partir de un filamento basado en carbono, abriendo la puerta a bombillas supereficientes.
  • Se interactuará con imágenes holográficas a diario, creando nuevas formas de comunicación y de aprendizaje.
  • En la energía hidráulica, el grafeno no solo estará presente en los muros de las presas y turbinas, sino que se crearán nuevas formas de energía, ya que el grafeno ha demostrado en los laboratorios que el agua genera energía cuando roza su superficie.
  • En energía solar, el grafeno será el material más usado para todo tipo de paneles y receptores solares, máxime gracias a su finura, flexibilidad, transparencia y fortaleza mecánica.
  • La energía geotérmica, gracias a las propiedades conductoras del grafeno, podrá gestionar el calor de una forma más inteligente creando nuevos conceptos y posibilidades energéticas.
  • El grafeno en la energía eólica valdrá para que los aerogeneradores puedan funcionar con una suave brisa y sus aspas se verán reforzadas con el material, otorgándoles así mayor resistencia a las inclemencias meteorológicas, además de no permitir su congelación.
  • Las propiedades del grafeno son ideales para utilizarlo como componente de circuitos integrados. 
  • El grafeno es capaz de captar una gran cantidad de luz, lo que se puede utilizar en la creación de cables de fibra óptica de mayor rendimiento. Por lo tanto, en el área de las telecomunicaciones habría redes más veloces, aumentando la capacidad, así como rapidez, de internet y de la telefonía móvil.

China sola tiene más del 70% de las reservas de grafito del mundo bajo sus pies, esto puede hacer que China sea la Arabia Saudí del grafito y de sus variables (grafeno) del planeta. Este país ya cuenta con miles de patentes sobre el grafeno y su Gobierno está apoyando a decenas de empresas para liderar la producción e implementación del mismo en el mercado mundial.


Conclusión

A fin de cuentas, el futuro ya se vuelve presente. Nuevas tecnologías y materiales surgen y surgirán todos los días. Los superconductores y el grafeno son apenas dos ejemplos de cómo será nuestra manera de vivir en un futuro no muy lejano. Desarrollos científicos novedosos con seguridad nos causarán sorpresa y admiración, pero poco nos resta a nosotros, apenas desear que todos los avances sean la ante visión de un mundo mejor.

Pepe Cocodrilo
(Adaptado de diversas fuentes)

2 comentarios:

  1. Pepe tienes mucha razón, esperemos que los materiales ultraligeros y supermegamodernos ayuden a mejorar las condiciones de vida en el planeta que habitamos...

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    Respuestas
    1. Estimada Pizpireta, buenas tardes.

      En el juramento de los ingenieros, hay la siguiente frase: " contribuir para el desarrollo y la aplicación de la ciencia y de la tecnología". No hay progreso si este no alcanza a todas las personas.

      Gracias por tu visita.

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