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.
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.
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 |
Micrografía HRTEM (High Resolution Transmission Electron Microscopy) de grafeno. |
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 tienes mucha razón, esperemos que los materiales ultraligeros y supermegamodernos ayuden a mejorar las condiciones de vida en el planeta que habitamos...
ResponderEliminarEstimada Pizpireta, buenas tardes.
EliminarEn 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.