Tipos de Materiales Superconductores Que Se Han Desarrollado en La Actualidad

TIPOS DE MATERIALES SUPERCONDUCTORES QUE SE HAN DESARROLLADO EN LA ACTUALIDAD http://www.creces.cl/new/index.asp?imat=++%3E++28&tc=3&nc=5&art=374 http://es.wikipedia.org/wiki/Superconductividad

Superconductividad De Wikipedia, la enciclopedia libre Saltar a: navegación, búsqueda

Efecto Meissner.

Imán levitando sobre un superconductor.

Se denomina superconductividad a la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía en determinadas condiciones.

La resistividad eléctrica de un conductor metálico disminuye gradualmente a medida que la temperatura se reduce. Sin embargo, en los conductores ordinarios, como el cobre y la plata, las impurezas y otros defectos producen un valor límite. Incluso cerca de cero absoluto una muestra de cobre muestra una resistencia no nula. La resistencia de un superconductor, en cambio, desciende bruscamente a cero cuando el material se enfría por debajo de su temperatura crítica. Una corriente eléctrica que fluye en una espiral de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de alimentación. Al igual que el ferromagnetismo y las líneas espectrales atómicas, la superconductividad es un fenómeno de la mecánica cuántica. La superconductividad ocurre en una gran variedad de materiales, incluyendo elementos simples como el estaño y el aluminio, diversas aleaciones metálicas y algunos semiconductores fuertemente dopados. La superconductividad no ocurre en metales nobles como el oro y la plata, ni en la mayoría de los metales ferromagnéticos.

Contenido [ocultar]    

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1 Comportamiento magnético 2 Comportamiento eléctrico 3 Calor específico 4 Historia de la superconductividad o 4.1 El descubrimiento o 4.2 Las teorías principales o 4.3 Los superconductores de alta temperatura 5 Cómo obtener materiales superconductores 6 Teoría o 6.1 Un superconductor no es simplemente un conductor normal perfecto o 6.2 Teoría BCS o 6.3 Teoría Ginzburg-Landau 7 Clasificación 8 Aplicaciones 9 Véase también 10 Referencias 11 Enlaces externos

[editar] Comportamiento magnético

Expulsión del campo magnético.

Aunque la propiedad más sobresaliente de los superconductores es la ausencia de resistencia, lo cierto es que no podemos decir que se trate de un material de conductividad infinita, ya que este tipo de material por sí sólo no tiene sentido termodinámico. En realidad un material superconductor de tipo I es perfectamente diamagnético. Esto hace que no permita que penetre el campo, lo que se conoce como efecto Meissner. El campo magnético distingue dos tipos de superconductores: los de tipo I, que no permiten en absoluto que penetre un campo magnético externo (lo cual conlleva un esfuerzo energético alto, e implica la ruptura brusca del estado superconductor si se supera la temperatura crítica), y los de tipo II, que son superconductores imperfectos, en el sentido en que el campo realmente penetra a través de pequeñas canalizaciones denominadas vórtices de Abrikosov, o fluxones. Estos dos tipos de superconductores son de hecho dos fases diferentes que fueron predichas por Lev Davidovich Landau y Aleksey Alekséyevich Abrikósov. Cuando a un superconductor de tipo II le aplicamos un campo magnético externo débil lo repele perfectamente. Si lo aumentamos, el sistema se vuelve inestable y prefiere introducir vórtices para disminuir su energía. Éstos van aumentando en número colocándose en redes de vórtices que pueden ser observados mediante técnicas adecuadas. Cuando el campo es suficientemente alto, el número de defectos es tan alto que el material deja de ser superconductor. Éste es el campo crítico que hace que un material deje de ser superconductor y que depende de la temperatura.

[editar] Comportamiento eléctrico La aparición del superdiamagnetismo es debida a la capacidad del material de crear supercorrientes. Éstas son corrientes de electrones que no disipan energía, de manera que se pueden mantener eternamente sin obedecer el Efecto Joule de pérdida de energía por generación de calor. Las corrientes crean el intenso campo magnético necesario para sustentar el efecto Meissner. Estas mismas corrientes permiten transmitir energía sin gasto energético, lo que representa el efecto más espectacular de este tipo de materiales. Debido a

que la cantidad de electrones superconductores es finita, la cantidad de corriente que puede soportar el material es limitada. Por tanto, existe una corriente crítica a partir de la cual el material deja de ser superconductor y comienza a disipar energía. En los superconductores de tipo II, la aparición de fluxones provoca que, incluso para corrientes inferiores a la crítica, se detecte una cierta disipación de energía debida al choque de los vórtices con los átomos de la red.

[editar] Calor específico En los metales el calor específico es una función de la temperatura. Cuando la temperatura es muy baja, pero el metal está en el estado normal (es decir, cuando aún no está en estado superconductor) el calor específico tiene la forma

donde a y b son constantes que se pueden medir mediante experimentos. El primer término (el término lineal) refleja la conducción eléctrica, mientras que el segundo término (el que varía con el cubo de la temperatura) se debe a los fonones (es decir, a las vibraciones de la red). Sin embargo, si seguimos enfriando y el metal pasa al estado superconductor, este comportamiento cambia radicalmente: el calor específico tiene una discontinuidad en la temperatura crítica, aumentando sensiblemente, para después variar de la forma

La siguiente gráfica muestra la dependencia del calor específico recién explicada (de color azul), y, adicionalmente, muestra cómo varía la resistividad (de color verde):

Nótese como el calor específico aumenta bruscamente a un valor igual a unas 2.5 veces el valor en el estado normal. Este valor es independiente del material superconductor, y está explicado en el marco de la teoría BCS.

[editar] Historia de la superconductividad [editar] El descubrimiento Ya en el siglo XIX se llevaron a cabo diversos experimentos para medir la resistencia eléctrica a bajas temperaturas, siendo James Dewar el primer pionero en este campo. Sin embargo, la superconductividad como tal no se descubriría hasta 1911, año en que el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes observó que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía bruscamente al enfriarse a 4 K (-269 °C), cuando lo que se esperaba era que disminuyera gradualmente hasta el cero absoluto. Gracias a sus descubrimientos, principalmente por su método para lograr la producción de helio líquido, recibiría dos años más tarde el premio Nobel de física. Durante los primeros años el fenómeno fue conocido como supraconductividad. En 1913 se descubre que un campo magnético suficientemente grande también destruye el estado superconductor, descubriéndose tres años después la existencia de una corriente eléctrica crítica. Puesto que se trata de un fenómeno esencialmente cuántico, no se hicieron grandes avances en la comprensión de la superconductividad, puesto que la comprensión y las herramientas matemáticas de que disponían los físicos de la época no fueron suficientes para afrontar el problema hasta los años cincuenta. Por ello, la investigación fue hasta entonces meramente fenomenológica, como por ejemplo el descubrimiento del efecto Meissner en 1933 y su

primera explicación mediante el desarrollo de la ecuación de London dos años más tarde por parte de los hermanos Fritz y Heinz London.

[editar] Las teorías principales Los mayores avances en la comprensión de la superconductividad tuvieron lugar en los años cincuenta: en 1950 es publicada la teoría Ginzburg-Landau, y en 1957 vería la luz la teoría BCS. La teoría BCS fue desarrollada por Bardeen, Cooper y Schrieffer (de sus iniciales surge el nombre BCS), gracias a lo cual los tres recibirían el premio Nobel de física en 1972. Esta teoría se pudo desarrollar gracias a dos pistas fundamentales ofrecidas por físicos experimentales a principios de los años cincuenta:  

el descubrimiento del efecto isotópico en 1950 (que vinculó la superconductividad con la red cristalina), y el descubrimiento de Lars Onsager en 1953 de que los portadores de carga son en realidad parejas de electrones llamados pares de Cooper (resultado de experimentos sobre la cuantización flujo magnético que pasa a través de un anillo superconductor).

La teoría Ginzburg-Landau es una generalización de la teoría de London desarrollada por Vitaly Ginzburg y Lev Landau en 1950.1 Si bien esta teoría precede siete años a la teoría BCS, los físicos de Europa Occidental y Estados Unidos le prestaron poca atención por su carácter más fenomenológico que teórico, unido a la incomunicación de aquellos años entre ambos lados del Telón de Acero. Esta situación cambió en 1959, año en que Lev Gor'kov demostró que se podía derivar rigurosamente a partir de la teoría microscópica2 en un artículo que también publicó en inglés.3 En 1962 Brian David Josephson predijo que podría haber corriente eléctrica entre dos conductores incluso si hubiera una pequeña separación entre estos, debido al efecto túnel. Un año más tarde Anderson y Rowell lo confirmaron experimentalmente. El efecto sería conocido como efecto Josephson, y está entre los fenómenos más importantes de los superconductores, teniendo gran variedad de aplicaciones, desde la magnetoencefalografía hasta la predicción de terremotos.

[editar] Los superconductores de alta temperatura Véase también: Cable de HTS

Tras algunos años de relativo estancamiento, en 1986 Bednorz y Müller descubrieron que una familia de materiales cerámicos, los óxidos de cobre con estructura de perovsquita, eran superconductores con temperaturas críticas superiores a 90 kelvin. Estos materiales, conocidos como superconductores de alta temperatura, estimularon un renovado interés en la investigación de la superconductividad. Como tema de la investigación pura, estos materiales constituyen un nuevo fenómeno que solo se explica por el hecho de que hace pasar los electrones por parejas o "pares de Cooper". Y, debido a que el estado

superconductor persiste hasta temperaturas más manejables, superiores al punto de ebullición del nitrógeno líquido, muchas aplicaciones comerciales serían viables, sobre todo si se descubrieran materiales con temperaturas críticas aún mayores.

[editar] Cómo obtener materiales superconductores Debido a las bajas temperaturas que se necesitan para conseguir la superconductividad, los materiales más comunes se suelen enfriar con helio líquido (el nitrógeno líquido sólo es útil cuando se manejan superconductores de alta temperatura). El montaje necesario es complejo y costoso, utilizándose en muy contadas aplicaciones como, por ejemplo, la construcción de electroimanes muy potentes para resonancia magnética nuclear. Sin embargo, en los años 80 se descubrieron los superconductores de alta temperatura, que muestran la transición de fase a temperaturas superiores a la transición líquido-vapor del nitrógeno líquido. Esto ha abaratado mucho los costos en el estudio de estos materiales y abierto la puerta a la existencia de materiales superconductores a temperatura ambiente, lo que supondría una revolución en la industria del siglo XXI. La mayor desventaja de estos materiales es su composición cerámica, lo que lo hace poco apropiado para fabricar cables mediante deformación plástica, el uso más obvio de este tipo de materiales. Sin embargo se han desarrollado técnicas nuevas para la fabricación de cintas como IBAD (deposición asistida mediante haz de iones). Mediante esta técnica se han logrado cables de longitudes mayores de 1 kilómetro.

[editar] Teoría Si bien el fenómeno de la superconductividad es un tema abierto en física, en la actualidad hay dos enfoques fundamentales: el microscópico o mecano cuántico (basado en la teoría BCS) y el macroscópico o fenomenológico (en el cual se centra la teoría GinzburgLandau).

[editar] Un superconductor no es simplemente un conductor normal perfecto Al contrario de lo que se podría pensar en principio, un superconductor se comporta de un modo muy distinto a los conductores normales: no se trata de un conductor cuya resistencia es cercana a cero, sino que la resistencia es exactamente igual a cero. Esto no se puede explicar mediante los modelos empleados para los conductores habituales, como por ejemplo el modelo de Drude. Para demostrar esto vamos a suponer la hipótesis opuesta: imaginemos por un momento que un superconductor se comporta como un conductor normal. En tal caso, tendríamos que los electrones son esparcidos de alguna manera y su ecuación del movimiento sería

donde es la velocidad media de los electrones, m su masa, e su carga y el campo eléctrico en el que se mueven. Suponiendo que dicho campo varía suavemente, al resolverla llegaríamos a la ley de Ohm:

donde es la densidad de corriente, la conductividad eléctrica, colisiones, y n la densidad de electrones.

el tiempo entre

Ahora bien, si suponemos que la resistencia tiende a cero, tendríamos que la conductividad tiende a infinito y por lo tanto el tiempo entre colisiones, , tendería a infinito. Dicho de otra manera, no habría colisiones en absoluto. Esta es la idea de cómo se comportaría un conductor normal que tuviera resistencia nula. Sin embargo, esto significaría que, puesto que la densidad de corriente no puede ser infinita, la única posibilidad es que el campo eléctrico sea nulo:

No obstante, teniendo en cuenta la ley de Faraday, un campo eléctrico nulo implica que el campo magnético ha de ser constante:

pero esto entra en contradicción con el efecto Meissner, de modo que la superconductividad es un fenómeno muy diferente a la que implicaría una "conductividad perfecta", y requiere una teoría diferente que los explique.

[editar] Teoría BCS Artículo principal: Teoría BCS.

La teoría microscópica más aceptada para explicar los superconductores es la Teoría BCS, presentada en 1957. La superconductividad se puede explicar como una aplicación del Condensado de Bose-Einstein. Sin embargo, los electrones son fermiones, por lo que no se les puede aplicar esta teoría directamente. La idea en la que se basa la teoría BCS es que los electrones se aparean formando un par de fermiones que se comporta como un bosón. Esta pareja se denomina par de Cooper y su enlace está justificado en las interacciones de los electrones entre sí mediada por la estructura cristalina del material.

[editar] Teoría Ginzburg-Landau Artículo principal: Teoría Ginzburg-Landau.

Otro enfoque diferente es mediante la Teoría Ginzburg-Landau, que se centra más en las propiedades macroscópicas que en la teoría microscópica, basándose en la ruptura de simetrías en la transición de fase. Esta teoría predice mucho mejor las propiedades de sustancias inhomogéneas, ya que la teoría BCS es aplicable únicamente si la sustancia es homogénea, es decir, si la energía de la banda prohibida es constante en el espacio. Cuando la sustancia es inhomogénea, el problema puede ser intratable desde el punto de vista microscópico. La teoría se fundamenta en un cálculo variacional en el que se trata de minimizar la energía libre de Helmholtz con respecto a la densidad de electrones que se encuentran en el estado superconductor. Las condiciones para aplicar la teoría son: 

las temperaturas manejadas tienen que estar cerca de la temperatura crítica, dado que se fundamenta en un desarrollo en serie de Taylor alrededor de Tc.



La pseudofunción de onda Ψ, así como el potencial vector suavemente.

, tienen que variar

Esta teoría predice dos longitudes características:  

longitud de penetración: es la distancia que penetra el campo magnético en el material superconductor longitud de coherencia: es el tamaño aproximado del par de Cooper

[editar] Clasificación Artículo principal: Clasificación de los superconductores.

Los superconductores se pueden clasificar en función de: 

Su comportamiento físico, pueden ser de tipo I (con un cambio brusco de una fase a otra, o en otras palabras, si sufre un cambio de fase de primer orden) o de tipo II (si pasan por un estado mixto en que conviven ambas fases, o dicho de otro modo, si sufre un cambio de fase de segundo orden).



La teoría que los explica, llamándose convencionales (si son explicados por la teoría BCS) o no convencionales (en caso contrario).



Su temperatura crítica, siendo de alta temperatura (generalmente se llaman así si se puede alcanzar su estado conductor enfriándolos con nitrógeno líquido, es decir, si Tc > 77K), o de baja temperatura (si no es así).



El material de que están hechos, pudiendo ser elementos puros (como el mercurio o el plomo), superconductores orgánicos (si están en forma de fulerenos o nanotubos, lo cual los podría incluir en cierto modo entre los elementos puros, ya que están hechos de

carbono), cerámicas (entre las que destacan las del grupo YBCO y el diboruro de magnesio) o aleaciones.

[editar] Aplicaciones Los imanes superconductores son algunos de los electroimanes más poderosos conocidos. Se utilizan en los trenes maglev, en máquinas para la resonancia magnética nuclear en hospitales y en el direccionamiento del haz de un acelerador de partículas. También pueden utilizarse para la separación magnética, en donde partículas magnéticas débiles se extraen de un fondo de partículas menos o no magnéticas, como en las industrias de pigmentos. Los superconductores se han utilizado también para hacer circuitos digitales y filtros de radiofrecuencia y microondas para estaciones base de telefonía móvil. Los superconductores se usan para construir uniones Josephson, que son los bloques de construcción de los SQUIDs (dispositivos superconductores de interferencia cuántica), los magnetómetros conocidos más sensibles. Una serie de dispositivos Josephson se han utilizado para definir el voltio en el sistema internacional (SI). En función de la modalidad de funcionamiento, una unión Josephson se puede utilizar como detector de fotones o como mezclador. El gran cambio en la resistencia a la transición del estado normal al estado superconductor se utiliza para construir termómetros en detectores de fotones criogénicos. Están apareciendo nuevos mercados donde la relativa eficiencia, el tamaño y el peso de los dispositivos basados en los superconductores de alta temperatura son superiores a los gastos adicionales que ellos suponen. Aplicaciones futuras prometedoras incluyen transformadores de alto rendimiento, dispositivos de almacenamiento de energía, la transmisión de energía eléctrica, motores eléctricos (por ejemplo, para la propulsión de vehículos, como en vactrains o trenes maglev) y dispositivos de levitación magnética. Sin embargo la superconductividad es sensible a los campos magnéticos en movimiento de modo que las aplicaciones que usan corriente alterna (por ejemplo, los transformadores) serán más difícil de elaborar que las que dependen de corriente continua.

[editar] Véase también    

Efecto Meissner Superfluidez Condensado de Bose-Einstein Superconductividad de alta temperatura

[editar] Referencias

1. ↑ VL Ginzburg y LD Landau (1950). «К теории сверхпроводимости». Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики (Zhurnal Eksperimentalnoi i Teoreticheskoi Fiziki, Revista sobre física experimental y teórica) 20: pp. 1064. 2. ↑ LP Gor'kov (1959). Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики (Zhurnal Eksperimentalnoi i Teoreticheskoi Fiziki, Revista sobre física experimental y teórica) 36: pp. 1918-1923. 3. ↑ LP Gor'kov (1959). «Microscopic derivation of the Ginzburg-Landau equations in the theory of. superconductivity». Soviet Physics - JETP 9: pp. 1364-1367.

http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/semic/apuntes/superconductividad/superconductivid ad.htm

¿Qué es la superconductividad? La superconductividad es una tecnología en constante desarrollo que está destinada a jugar un importante papel en nuestras vidas hacia el siglo XXI. Naturalmente el logro de mayores temperaturas críticas está ligado al descubrimiento de nuevos materiales. Se prevé que el impacto que pueda causar en la sociedad mundial será semejante, sino mayor, al que tuvo la utilización del transistor. Los gobiernos de los países industrializados tienen plena conciencia de la relevancia de invertir importantes sumas de dinero en investigación en esta área, dada la ventaja estratégica y competitiva que puede llegar a brindar el hecho de estar a la vanguardia en la fabricación y utilización de la superconductividad en las diferentes áreas en las que es factible su aplicación, por lo que cada vez es más clara la competencia existente entre laboratorios, empresas y países.

Generalidades Concepto La superconductividad es una propiedad de algunos compuestos que no oponen resistencia alguna al paso de corriente ya que los electrones se desplazan sin colisiones y en zigzag a través de los cristales del átomo, es decir materiales con resistencia nula con los cuales se puede ahorrar la energía que se disipa en forma de calor en los otros conductores, debido a la colisión de los electrones entre sí y con los átomos del material. Además de lo anterior tienen otra característica muy importante que consiste en que expulsan de su interior los campos magnéticos mientras estos no sobrepasen un valor límite.

Origen

El descubrimiento de la superconductividad se remonta a 1908, año en el que el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes llegó a enfriar el helio hasta el punto de su licuefacción, a una temperatura próxima al cero absoluto. Esta experiencia le permitió observar fenómenos desconocidos hasta entonces y casi inconcebibles para los científicos de la época: por un lado, la superfluidez y por el otro lado la superconductividad, que Onnes demostró por primera vez en 1911. Para lograr estas bajas temperaturas es necesario poner las muestras en contacto con helio líquido, elemento difícil de obtener y que requiere de procesos complicados y costosos para mantenerlo en su fase líquida. Desde entonces se inicio una búsqueda ininterrumpida para alcanzar aleaciones que alcanzaran la fase superconductora a temperaturas más elevadas. La curiosidad que Onnes sentía hacia el comportamiento de la materia a bajas temperaturas lo condujo al descubrimiento de la superconductividad experimentando con el mercurio, siendo posible porque había conseguido la licuación del helio que permitió enfriar los materiales a temperaturas próximas al cero absoluto (-273°C). Puesto que el helio líquido es el mejor método que se conoce de refrigerar a temperaturas extremadamente bajas, la superconductividad podría verse obligada a esperar el desarrollo de nuevos materiales con temperaturas críticas mas altas para poder ofrecer beneficios fuera del entorno de un laboratorio. Algunos científicos que trabajaban con superconductores similares a los empleados por Onnes, intentaron subir ligeramente la temperatura crítica mezclando compuestos para formar aleaciones superconductoras. Hacia 1933 la temperatura crítica fue duplicada a 10°K (aún muy baja). El proceso fue lento y frustrante hasta 1941 cuando se encontraron aleaciones de niobio que se volvían superconductoras a 15°K. No fue hasta 1969 cuando la temperatura crítica volvió a duplicarse nuevamente, alcanzando los 20°K. Este avance fue muy importante, puesto que el hidrógeno se licúa a 20°K. Por primera vez podía utilizarse otro agente refrigerador. Hacia 1971, los mejores superconductores eran aleaciones de niobio-aluminio y niobiogermanio que alcanzaban esta fase. En 1972 se concedió el Premio Nóbel de Física a J. Bardeen, L.N. Cooper y J.R. Schriffer por sus trabajos realizados a finales de la década de los años cincuenta, que daban cuenta del origen microscópico de la superconductividad. En 1973, la temperatura crítica subió unos pocos grados más, a 23°K. Durante aproximadamente una década, los científicos intentaron aumentar la temperatura crítica. Experimentaron sin éxito con muchos compuestos y aleaciones. Finalmente en 1986 dos investigadores de IBM en Zurich anunciaron haber conseguido subir la temperatura crítica a 30°K en un material completamente nuevo. Los nuevos materiales superconductores que no son aleaciones metálicas sino cerámicas hechas a base de óxido de cobre mezclados con bario o estroncio y alguno de los elementos conocidos como tierras raras (lantano, itrio y neodimio). Alex Müller y Georg Bednorz habían

sintetizado un complejo material cerámico (BaLaCuO) que presentaba superconductividad a 30°K. Este extraordinario descubrimiento impulsó a muchos investigadores a trabajar con materiales cerámicos similares. Unos meses después la temperatura crítica fue aumentada a 39°K. En febrero de 1987 Ching-Wu (Paul) Chu y su equipo de investigación de la Universidad de Houston anunciaron haber desarrollado un superconductor con una temperatura de 98°K (Mezcla de óxido de cobre, bario e itrio (YBaCuO). Este descubrimiento causó un gran impacto en la comunidad científica mundial, pues la barrera impuesta por la necesidad de utilizar helio líquido había sido traspasada. El nitrógeno se licúa a 77°K, una temperatura bastante inferior a la temperatura crítica alcanzada. El nitrógeno líquido es fácil de transportar en termos aislados, es muy barato, abundante y fácil de enfriar a diferencia del proceso con helio líquido es costoso. En 1988 el óxido de cobre, calcio, bario y talio (TlBaCaCuO) alcanzó una temperatura crítica de 125°K. Las investigaciones efectuadas en el laboratorio de la Escuela Superior de Física y Química Industrial de París en mayo de 1993, trabajando con películas de óxido mixto de cobre, calcio, bario y mercurio (HgBaCaCuO) lograron una temperatura crítica de 133°K. Este mismo equipo logró en diciembre de 1993 una temperatura crítica de 250°K a partir de un compuesto de bismuto, estroncio, calcio y óxido de cobre (BiSrCaCuO). Los compuestos que han originado los sorprendentes adelantos en materia de superconductividad son todos cupratos de la familia de las perovskitas de cobre, es decir, cristales constituidos por el apilamiento, en todas las direcciones del espacio, de octaedros que contienen en su centro un átomo metálico, el cobre, con átomos de oxígeno en los vértices; los espacios entre los octaedros están ocupados por otro átomo metálico. Sin embargo, la carrera de la temperatura crítica aún no ha terminado. Los científicos sueñan con superconductores a temperatura ambiente, que no necesiten refrigerarse, la cual está en torno a los 293°K (20°C).

Propiedades Los superconductores ofrecen cuatro grandes ventajas sobre los conductores normales que podrían ser explotadas en muchas aplicaciones, ellas son: Conducen la electricidad sin pérdida de energía, y por tanto, podrían utilizarse en lugar de los conductores para ahorrar energía. No tienen resistencia, y por consiguiente no generan calor cuando se hace pasar corriente eléctrica por ellos. En un conductor ordinario, la pérdida de energía debida a su resistencia se disipa en forma de calor. Este calor impone un límite al número de componentes electrónicos que pueden ser empaquetados juntos. Utilizando superconductores se podrían

empaquetar herméticamente un gran número de componentes electrónicos, sin preocuparse por la disipación de calor. Tienen capacidad para crear campos magnéticos intensos. Estos campos pueden ser generados por imanes superconductores relativamente pequeños. Pueden utilizarse para formar uniones Josephson, que son conmutadores superconductores. Su funcionamiento es similar al de un transistor, pero la unión Josephson es capaz de conmutar a una velocidad 100 veces superior. Conectando dos uniones Josephson de una forma especial, pueden detectarse campos magnéticos extremadamente débiles. Estos detectores tan sensibles de campos magnéticos reciben el nombre de SQUID's (Superconducting Quantum Interference Devices Dispositivos superconductores de interferencia cuántica) Las principales propiedades de los superconductores son las siguientes: El efecto Meissner.

Si un superconductor se refrigera por debajo de su temperatura crítica en el seno de un campo magnético, el campo rodea al superconductor, pero no penetra en él. Este fenómeno se conoce con el nombre de Efecto Meissner y fue descubierto en 1933. Sin embargo, si el campo magnético es demasiado intenso, el superconductor vuelve a su estado normal incluso estando a una temperatura inferior a su temperatura crítica. Tomando como criterio la capacidad de un superconductor para repeler un campo o flujo magnético, es posible clasificar los superconductores en dos tipos. Los superconductores de tipo I son simples metales puros, tales como el plomo o el estaño. Estos repelen el campo magnético hasta que alcanza una determinada intensidad. Esta intensidad se denomina campo crítico, y es distinto para cada superconductor. Una vez que el campo magnético ha alcanzado su valor crítico, el superconductor vuelve a su estado normal perdiendo sus propiedades. Los superconductores de tipo II se comportan de una forma ligeramente distinta. Estos superconductores son materiales más complejos, a menudo aleaciones de metales de transición (los metales de transición son un grupo de elementos del Sistema Periódico). En un superconductor tipo II, existe un segundo campo crítico más intenso que el primero. Una vez que el campo magnético ha alcanzado su primer valor crítico, el superconductor ya no repele completamente el campo, pero sigue conduciendo sin ofrecer resistencia. Cuando el campo alcanza un segundo valor crítico, el material presenta resistencia eléctrica. La mayoría de los superconductores de interés actual son de tipo II. La Densidad de corriente.

Aplicar un campo magnético intenso no es la única manera de destruir la superconductividad, una vez que el material ha sido refrigerado por debajo de su temperatura crítica. El paso de una corriente intensa a través de un superconductor también

puede hacer que éste pierda sus propiedades. La cantidad de corriente que un superconductor puede soportar manteniendo nula su resistencia se denomina densidad de corriente, la cual se mide en amperios por unidad de área. Un valor típico de la densidad de corriente en un hilo superconductor es de 100.000 amperios por centímetro cuadrado. Si pasara una corriente más densa por el hilo, éste ofrecería resistencia. La mayor parte de los conductores normales, como el cobre, son isótropos, es decir, conducen la corriente con igual facilidad en todas las direcciones. Con un hilo conductor ó superconductor que se isótropo no importa cuál de los extremos del hilo se conecta al terminal positivo de la fuente eléctrica y cuál al negativo. Sin embargo, muchos de los superconductores de alta temperatura son anisótropos, es decir, conducen mejor en unas direcciones que en otras. Algunos de estos materiales son capaces de conducir la corriente en una dirección a una velocidad 30 veces superior que en otra. El efecto Josephson.

Otra propiedad interesante de los superconductores es el efecto Josephson, que está basado en otro fenómeno que recibe el nombre de efecto túnel. En una unión formada por una delgada barrera de óxido colocada entre dos superconductores, se puede producir efecto túnel. Las caras externas de los dos superconductores se unen entre sí y se mide la corriente que pasa a través de la unión. Cuando la unión se expone a campos magnéticos o radiación, el flujo de corriente debido a que algunos electrones atraviesan la barrera de óxido (efecto túnel). Este efecto puede emplearse en circuitos de computadores, y para detectar campos magnéticos muy débiles. Estudios muy recientes han demostrado que el efecto Josephson puede producirse a temperaturas muy superiores a las temperaturas críticas del material superconductor. Todas estas propiedades de los superconductores abren muchas puertas al desarrollo tecnológico, pues muchos dispositivos actuales pueden ser mejorados en eficiencia, sensibilidad y rapidez. De otra parte, aplicaciones antes irrealizables son ahora factibles gracias a la superconductividad.

Teorías que explican la superconductividad Desde el descubrimiento de la superconductividad los científicos han intentado explicar el funcionamiento de los superconductores, pues la elaboración de una teoría que desvele los misterios de la superconductividad podría permitirles desarrollar nuevos y mejores superconductores y aprender más acerca de su comportamiento. Aún no existe una explicación ampliamente aceptada de por qué se produce superconductividad a alta temperatura. Para las antiguas generaciones de superconductores con temperaturas críticas próximas al Cero Absoluto, basta la teoría BCS. Sin embargo, es preciso encontrar una nueva teoría para los nuevos materiales que tenga en cuenta su importante actividad atómica. Es dudoso que se acepte a corto plazo una teoría completa de

la superconductividad, puesto que existen superconductores con temperaturas críticas aún más altas que están en fase de experimentación. Sin embargo existen las siguientes: Teoría BCS. En 1957 tres investigadores, John Bardeen, Leon Cooper y J.R. Schrieffer, publicaron una teoría que intentaba explicar como funcionan los superconductores. Esta teoría recibió el nombre de teoría BCS, y los tres investigadores fueron galardonados por su trabajo. No se debe olvidar que en 1957 aun no existían los superconductores de alta temperatura que hoy se están desarrollando. La teoría BCS intenta explicar la superconductividad a temperaturas próximas al Cero Absoluto. Cuando los materiales se refrigeran a estas temperaturas, el movimiento de sus átomos se reduce dramáticamente. La teoría BCS afirma que los electrones que fluyen a través de un superconductor se agrupan en pares debido a los fonones (Partículas asociadas a las vibraciones de la red cristalina), que crean una especie de pegamento subatómico. El par de electrones deja una estela al moverse a través de la red cristalina. Esta estela es aprovechada por los pares siguientes como camino a través de la red cristalina, evitando colisiones con otras partículas, lo que obstaculizaría el flujo y generaría resistencia eléctrica (como ocurre con los conductores normales). La teoría BCS supone que la actividad molecular de los átomos en la estructura cristalina del superconductor es muy reducida, cuando explica como los electrones pueden fluir a través de la red sin interferir con otras partículas. Esta teoría también explica por que el superconductor pierde su capacidad de conducir sin resistencia cuando se encuentra a una temperatura superior a su temperatura critica. Según la teoría BCS, a medida que sube la temperatura del material superconductor, aumentan las vibraciones de los átomos, que se traducen en vibraciones cada vez mayores de toda la red cristalina. Esta vibración excesiva provoca la ruptura del par de electrones, interrumpiéndose la estela del fonón, y causando la perdida de la superconductividad. La magnitud de las vibraciones de la red esta relacionada directamente con la temperatura. El Cero Absoluto es el punto al cual desaparecen todas las vibraciones. Por tanto, es imposible alcanzar una temperatura mas baja, y de ahí el nombre de "Cero Absoluto". A medida que sube la temperatura por encima del Cero Absoluto, la magnitud de las vibraciones aumenta sistemáticamente. La temperatura que tiene un material es justamente una medida del movimiento de sus átomos. El punto de fusión de un material (como por ejemplo el hilo) es simplemente la temperatura de transición a la cual las vibraciones son tan fuertes, que las fuerzas de cohesión de la estructura cristalina no son lo suficientemente grandes para mantener los átomos en las posiciones que ocupan en la red, quedando estos libres para desplazarse. Como resultado, un sólido rígido (hielo en el caso del agua) se convierte en un liquido. Si la temperatura sigue subiendo, se alcanza otra temperatura de transición en la que el

movimiento atómico es tan grande que las fuerzas de atracción existentes en el liquido no pueden mantener a los átomos juntos. En ese momento el material se convierte en un gas. Debido a que los nuevos superconductores tienen temperaturas criticas bastante superiores al Cero Absoluto, parece ser que la teoría BCS no explica por que se produce superconductividad en estos nuevos materiales. Las temperaturas criticas son demasiado altas para poder suponer vibraciones reducidas, como ocurre en los antiguos superconductores. Aun así, la mayor parte de los teóricos creen que los electrones en los superconductores de alta temperatura fluyen emparejados.

Teoría fundamentada en el excitón. Debido a que resulta bastante difícil encontrar una razón que explique el emparejamiento de los electrones en los nuevos superconductores de alta temperatura, las teorías actuales atribuyen el emparejamiento de los electrones a un mecanismo mucho mas poderoso que el fonón de la teoría BCS. Dicho mecanismo es el excitón. El excitón, de "electronic excitation", es un mecanismo de interacción mas fuerte que los fonones y puede continuar operando a temperaturas mas altas. Cuando los nuevos superconductores de alta temperatura son enfriados a su temperatura critica, las vibraciones de la estructura cristalina se sincronizan de tal manera que los electrones son guiados a través de la red.

Teoría fundamentada en los plasmones. Atribuye el emparejamiento de electrones a altas temperaturas al mecanismo derivado de movimientos colectivos de electrones (plasmones).

Teoría fundamentada en los magnones. Atribuye a los magnones, fluctuaciones de spin, que se propagan a través de la red y que crean una especie de camino que los electrones pueden seguir sin sufrir obstáculos.

Teoría RVB. Utiliza el concepto de enlace de valencia resonante y se basa en la repulsión electrónelectrón: a causa de que los electrones tienen la misma carga se repelen entre sí, haciendo que se prepare ellos mismos su propio camino a través de la red.

Estado del arte Fabricación y formas de los superconductores actuales El desarrollo de los superconductores de alta temperatura es tan reciente, que aún no han sido adaptados satisfactoriamente a la industria. Por ello la inmensa mayoría de las aplicaciones comerciales actuales están basadas en los antiguos superconductores. Actualmente la mayor parte de las aplicaciones de los superconductores a la industria utilizan su capacidad de conducir corriente sin resistencia. Para que un superconductor sea práctico debe ser resistente, de gran fiabilidad y fácilmente maleable. Existen dos grandes tipos de superconductores comerciales: las aleaciones dúctiles y los compuestos intermetálicos. Las aleaciones dúctiles comparten con los conductores la ventaja de que son fáciles de darles la forma de hilos y cables, y de que son relativamente maleables. Los compuestos intermetálicos con mucho más rígidos y aunque se les puede dar formas en el proceso de fabricación, no son flexibles. Las aleaciones dúctiles superconductoras son compuestos de niobio y titanio. Los compuestos intermetálicos se sintetizan con vanadio y galio. Los superconductores comerciales se suelen fabricar en forma de hilos, de manera que se puedan hacer bovinados para construir generadores, motores y electroimanes. Estos materiales tienen temperaturas críticas del orden de 10°K. Pueden generar campos magnéticos muy potentes y tienen densidades de corriente próximas a los 2.000 amperios por milímetro cuadrado. Estos compuestos comerciales de niobio-titanio o vanadio-galio cubren la mayor parte de las aplicaciones actuales de la superconductividad. Laboratorios y equipos de investigación de universidades de todo el mundo han orientado sus esfuerzos al estudio de compuestos cerámicos de perovskitas. La fabricación de estos materiales superconductores cerámicos es relativamente fácil, pueden sintetizarse en cualquier laboratorio modestamente equipado. El primer paso en el proceso es mezclar y calentar los ingredientes. Se combinan óxidos de los metales itrio (Y), bario (Ba) y cobre (Cu) con ácido cítrico y etilen-glicol. La mezcla se calienta inicialmente a unos 38° Celsius. Posteriormente, la mezcla ya caliente se mete en un horno, donde se cuece a unos 800°C, con lo que se vaporizan los componentes líquidos, cristalizando el material restante en forma de polvos negros. El polvo es comprimido en un horno especial que genera aproximadamente 150 Kg. por cm.2 de presión. El bloque resultante se enfría gradualmente durante varias horas. Una vez enfriado, el material se sumerge en un baño de nitrógeno líquido para probar la superconductividad. Se conecta un medidor de resistencia al material refrigerado para medir su resistencia eléctrica. Si el medidor no registra resistencia, probablemente se habrá conseguido superconductividad. Si además el material presenta efecto Meissner, entonces es un auténtico superconductor.

Después de haber desarrollado y probado los nuevos materiales, los laboratorios están intentando darles formas útiles. Un bloque amorfo de superconductor no tiene interés práctico. Para poder diseñar dispositivos útiles, es necesario fabricar el material en hilos, cintas y otras formas.

Usos actuales de la superconductividad La ciencia y la medicina se han beneficiado ya de las ventajas aportadas por la superconductividad para generar campos magnéticos intensos y detectar señales magnéticas débiles. Los físicos llevan mucho tiempo utilizando electroimanes superconductores para generar campos magnéticos de alta intensidad. Estos potentes electroimanes superconductores se han empleado como parte de un colisionador para acelerar partículas atómicas a velocidades extremas, para después hacerlas colisionar. El estudio de los efectos producidos proporciona a los científicos valiosos datos sobre la naturaleza de las partículas implicadas en la colisión. Un superacelerador conocido como SSC (Supercolisionador Superconductor) será 20 veces más potente que el Tevatrón. Tendrá forma de anillo y será de una longitud de 85 Km. Este superacelerador está siendo construido en los U.S.A. En el laboratorio se utilizan los aisladores magnéticos que sirven para aislar un mineral u otra sustancia determinada basándose en su densidad y propiedades magnéticas. Los materiales a aislar se mezclan en un fluido magnético. La mezcla se vierte en un dispositivo tubular rotatorio, rodeado por una bobina superconductora que genera un potente campo magnético. Este campo empuja hacia el exterior del fluido, causando que las partículas más densas se muevan hacia el tubo. Los SQUID`s (dispositivo superconductor de interferencia cuántica) se utilizan mucho en prospecciones. Con ellos se pueden medir las propiedades de las ondas electromagnéticas reflejadas al incidir en la superficie de la Tierra. Gracias a su alta sensibilidad en la detección de campos magnéticos son también utilizados por los médicos para hacer magnetoencefalogramas. En medicina la superconductividad es útil para la construcción de equipos de generación de imágenes. Las máquinas NMR (Resonancia Magnética Nuclear) y MRI (Imágenes por Resonancia Magnética) son capaces de generar imágenes detalladas del interior de organismos. Una máquina MRI puede generar, por ejemplo, una imagen del corazón de un paciente sin tener que hacer disecciones en la piel o introducir sondas en la sangre. La misma técnica puede aplicarse igualmente a otros órganos. Las máquinas MRI funcionan colocando al paciente en un potente campo magnético generado por un electroimán superconductor. Los productos disponibles hoy a partir del uso de materiales superconductores son dispositivos o componentes muy especializados: censores de campo magnético para fines

didácticos y varillas de nivel para el nitrógeno líquido. No se puede decir que estos aparatos exciten la imaginación o revolucionen la sociedad; pero son hitos tangibles en el camino hacia el éxito comercial de los nuevos superconductores. Ya se están efectuando demostraciones de componentes de uso en comunicaciones por ondas micrométricas y rastreo militar y todo está a punto para que empiece su producción. Los cables se van haciendo más largos, cada vez pueden transportar más corriente y se han construido ya con ellos dispositivos que prueban la viabilidad técnica de las aplicaciones de potencia. Los científicos de Argonne National Laboratory en Argonne Illinois, fueron los primeros investigadores americanos en dar a los nuevos superconductores la forma de un hilo, el cual tiene un diámetro aproximado de 0.2 mm. Al hace el hilo tan fino se consigue que los rígidos materiales cerámicos presenten algo de flexibilidad. Unos investigadores de IBM han ideado un vaporizador de superconductores con el cual pueden cubrir (pintar) superficies complejas y de gran tamaño. Esta técnica aumenta la perspectiva de hacer útil, fácil y económicamente, confinamiento magnético, cableado de computadores y otras aplicaciones. Mediante una técnica industrial llamada vaporización de plasma, el superconductor puede se rápidamente calentado a miles de grados Celsius y depositado en una superficie cualquiera, en la que posteriormente se resolidifica. Después de la formación de la capa la superficie es recocida, obteniéndose un recubrimiento que se hace superconductor al refrigerarse.

Principales empresas y laboratorios que trabajan en superconductividad En los Estados Unidos: Argonne National Laboratory - Argonne, Illinois. AT&T Bell Laboratories - Short Hills, New Jersey. American Superconductor Corporation - Boston, MA. Blomagnetic Technologies - San Diego, California. Conductis - Palo Alto, California. GA Technologies - San Diego, California. General Dynamics - San Diego, California. General Electric Medical Systems Group - Milwaukee, WI.

General Electric Research and Development Center - Schenectady, New York. HYPRES Inc. - Elmsford, New York. IBM Research Division - Yorktown Heights, New York. Intermagnetics General Corporation - Guilderland, New York. Monolithics Superconductors Inc. - Beaverton, Oregon. Supercon Inc. - Shrewsbury, MA. Superconductor Technology Inc. - Santa Bárbara, California. TRW - Redondo Beach, California. Westinghouse - Pittsburgh, PA. En el Japón: Fujitsu. Hitachi. Mitsubishi Electric. Nippon Telegraph and Telephone. Toshiba En Inglaterra: Oxford Instruments Group. En Alemania: Siemens.

Panorama Internacional Actual La competición entre países está estimulada por las ventajas económicas que promete la industria de superconductores de alta temperatura y se plantea en especial una fuerte rivalidad entre Estados Unidos y Japón por la supremacía en el desarrollo de este campo.

Japón tiene un extenso plan de investigación y desarrollo para la explotación de la tecnología de superconductores, gracias al esfuerzo del gobierno, la industria e investigadores universitarios. Las medidas tomadas se asemejan a las tomadas en electrónica de circuitos integrados y que los llevó a ocupar el primer lugar a nivel mundial. Entre los proyectos se pueden mencionar los de magnetohidrodinámica y trenes MagLev (trenes de levitación magnética). Diferentes empresas están desarrollando computadores basados en uniones Josephson, mientras otras fabrican hilos y cables superconductores. En Estados Unidos se encuentran también empresas que llevan algún tiempo desarrollando hilos, cables, dispositivos y electroimanes superconductores, además de múltiples estudios de nuevas aplicaciones en el área de la electrónica. Como en el caso de los semiconductores, ahora, los superconductores pueden convertirse en un factor discordante entre Estados Unidos y Japón que son los países que llevan la delantera en esta tecnología, por lo que algunos científicos plantean la necesidad de tratarla como un bien para toda la humanidad y teniendo en cuenta que el mundo económico se encuentra estrechamente interconectado buscar la resolución de las dificultades que se plantean de manera conjunta. Algunos científicos y legisladores estadounidenses piensan que los adelantos conseguidos en superconductividad se pueden perder en beneficio de los japoneses y ven en los superconductores una oportunidad de recuperar el terreno perdido en la industria de circuitos integrados, por lo que intentan desarrollar estrategias que les permita competir con mas eficiencia, para conseguir la supremacía tecnológica del próximo siglo. El plan para fomentar el desarrollo de aplicaciones de la superconductividad incluye los siguientes puntos: Aumentar los presupuestos para investigación del departamento de Defensa. Ofrecer subvenciones para aplicaciones comerciales. Suavizar las leyes anticréditos para facilitar los acuerdos de investigación. Establecer leyes de patentes estrictas. Retrasar la publicación de información científica de interés. En segundo lugar a nivel mundial en esta área se encuentra la Comunidad Europea, en cuyos países (Inglaterra, Francia y Alemania en especial) también se invierte cifras significativas en investigación. Sin embargo, presentan cierto rezago con respecto a Japón y Estados Unidos. Actualmente se calcula que el mercado mundial de superconductores esta alrededor de los US$ 2.000 millones. Los países antes citados no son los únicos interesados en la investigación de superconductores. El National Physics Laboratory de Nueva Delhi ha sintetizado un

material parcialmente superconductor a 299°K, temperatura ambiente. En Pekín se han conseguido algunos avances de interés. Tokyo ha sido el origen de muchos descubrimientos importantes en superconductividad.

Prospectiva Tecnológica La superconductividad es una tecnología que está cambiando constantemente con la posibilidad de nuevos avances y descubrimientos. Los ingenieros intentan orientar la tecnología actual de superconductores hacia aplicaciones útiles y las empresas buscan los beneficios comerciales que de éstas se pudieran obtener. Considerándola como una ciencia destinada a jugar un papel importante en la alta tecnología del siglo XXI. Cada vez se acentúa más la competición de los gobiernos de los países más industrializados, toman medidas para no quedarse atrás en el rápido crecimiento de está tecnología. Para el año 2005 se espera haber logrado materiales superconductores cuya temperatura crítica haya alcanzado la temperatura ambiente, lo que ampliaría la cobertura práctica de su aplicación en dispositivos comerciales y que con el advenimiento de nuevos materiales el mercado actual de superconductores tenderá a aumentarse significativamente a tal punto que los cálculos más optimistas hablan de aproximadamente US$ 35.000 millones.

Aplicaciones futuras. En sistemas de potencia Los sistemas eléctricos de potencia podrían ser grandes beneficiarios de la superconductividad. Los sistemas de potencia abarcan todos los sistemas utilizados para producir y distribuir electricidad. Desde los generadores en las centrales eléctricas hasta los consumidores individuales, pasando por la red de distribución, los materiales superconductores podrían ahorrar mucha energía y dinero frente a los sistemas convencionales. Unos generadores que tuvieran bobinados de hilos superconductores en lugar de hilos convencionales de cobre podrían generar la misma cantidad de electricidad con menor trabajo y equipamiento más pequeño. Una vez generada la electricidad, podría distribuirse a través de una red de líneas de alta tensión superconductoras. Los sistemas actuales de distribución gastan hasta el 20% de la energía que reciben a causa de su resistencia. La energía que llega al consumidor podría ser utilizada más eficientemente si los electrodomésticos tuvieran motores con bobinados superconductores y circuitos electrónicos con materiales del mismo tipo. No existen en la actualidad muchas formas de almacenar grandes cantidades de energía. Las baterías no son adecuadas en muchos casos, debido a su costo, tamaño, volatilidad y gastos de mantenimiento. El sistema SMES (almacenamiento de energía magnética por superconducción) podría llegar algún día a proporcionar una forma práctica y eficiente de

almacenar grandes cantidades de electricidad. Unos anillos superconductores gigantes, que se podrían situar bajo tierra, serían capaces de almacenar grandes cantidades de energía eléctrica en prolongados períodos de tiempo.

En electrónica De todas las áreas que recibirán el impacto de la superconductividad, la electrónica será probablemente la primera. La superconductividad permite el diseño y elaboración de una nueva familia de circuitos integrados con impresionantes prestaciones. El calor es un enemigo de los circuitos integrados, éstos fallan inmediatamente cuando operan a temperaturas que exceden sus especificaciones de diseño. Esta es la razón por la cual muchos aparatos que tienen circuitos de este tipo disponen de ventiladores (como por ejemplo el ordenador personal). El calor es generado por el flujo de corriente eléctrica. Los diseñadores de dispositivos electrónicos ponen mucho cuidado en sintetizar y espaciar los circuitos de forma que el calor generado pueda disiparse sin degradar el funcionamiento del dispositivo. Empleando superconductores en los diseños, no habría disipación de calor. Así, los circuitos podrían conectarse más próximos entre sí, lo que además reduciría el tiempo que necesitan las señales eléctricas para ir de un punto del circuito a otro. Esto permitiría construir dispositivos más rápidos y complejos que ocupasen además menos volumen. Otra aplicación de la superconductividad que ha causado gran impacto en la electrónica es la unión Josephson, la cuales podrían sustituir con éxito al transistor como unidad de conmutación en computadores de alta velocidad. Con uniones Josephson, podría construirse un computador mucho más potente que cualquiera de los supercomputadores que existen en la actualidad y con un volumen mucho menor.

En ciencia y medicina Un uso de los electroimanes superconductores en el laboratorio sería para la construcción de "botellas magnéticas" capaces de contener una reacción de fusión. En una reacción de fusión se combinan átomos entre sí, liberándose energía (el mismo método que emplean las estrellas). Los reactores de fisión nuclear utilizados en la actualidad descomponen los átomos para generar energía, dejando residuos radiactivos. Los reactores de fusión no son residuales, sin embargo, las reacciones de fusión son tan violentas y desprenden tanto calor que aún no se conoce ningún material capaz de contenerla. Los físicos confían en que los futuros imanes superconductores podrán generar campos magnéticos capaces de confinar estas reacciones.

En medicina la superconductividad sería útil para el mejoramiento en la construcción de equipos de generación de imágenes a partir de resonancia magnética.

En transporte La superconductividad puede afectar a los medios de transporte de muchas formas. Se podrían emplear compactos electroimanes superconductores para hacer levitar a los trenes por encima de sus raíces. Estos trenes MagLev (levitados magnéticamente) podrían flotar en un campo magnético mientras son impulsados a velocidades dos veces superiores a las de cualquier tren existente en la actualidad. Eficientes motores superconductores podrían crear una nueva gama de vehículos, barcos y submarinos eléctricos.

En defensa Los militares orientan sus investigaciones hacia distintos aspectos de la superconductividad. Lanzaderas de mísiles con guías superconductoras podrían sustituir a los proyectiles explosivos, y motores superconductores permitirían a los submarinos operar mucho más silenciosamente, haciendo mas difícil su detección. También podrían mejorarse las prestaciones de todo tipo de detectores, haciéndolos más sensibles en rangos de operación más amplios.

Líneas de Investigación Esfuerzos por subir la temperatura crítica de los diferentes materiales. Algunos laboratorios que han anunciado superconductores a temperatura ambiente en zonas muy localizadas de los materiales intentan aislar y caracterizar las zonas superconductoras de estos con la intención de crear un material uniforme. Se intenta aumentar la densidad de corriente con la intención de emplearlos en aplicaciones de alta potencia. Se esta investigando para superar las limitaciones que presentan los actuales superconductores de alta temperatura por sus propiedades mecánicas, ya que se trata de compuestos cerámicos bastante duros lo que dificulta su manufacturado de maneras útiles, como hilos, cintas, y películas delgadas. El gobierno de Estados Unidos esta subvencionando distintos proyectos de investigación en nuevas aplicaciones practicas de los superconductores.

En Estados Unidos el Departamento de Nuevas Ciencias y Tecnologías investiga para usar la superconductividad para mejorar los censores infrarrojos especiales de detección de mísiles. También está interesado en un sistema de almacenamiento de energía en grandes cantidades para los sistemas de láseres terrestres de gran potencia. El Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) trabaja en el desarrollo de hilos superconductores, ya tiene una base de datos especializada para el uso de los científicos estadounidenses.

http://www.cps.unizar.es/~transp/Ferrocarriles/ANEXO(El_tren_de_levitacion_magnetica). html ANEXO -- EL TREN DE LEVITACION MAGNETICA

Son varios los países que han trabajado en el desarrollo de los sistemas de levitación magnética en los ferrocarriles, aunque actualmente sólo Alemania y Japón tienen proyectos concretos que podrían ser implantados para uso comercial en un futuro inmediato. Las dos teorías seguidas por estos países en el desarrollo de este tipo de ferrocarril son las siguientes: 

El modelo alemán se basa en la suspensión usando electroimanes DC controlados.

Sistema de suspensión del modelo alemán



El modelo japonés utiliza levitación mediante la aplicación de materiales superconductores.

Debido a que en la actualidad está más desarrollado el proyecto japonés se planteará esta opción mejor que la alemana en la explicación de este apartado.

En Japón existe en la actualidad la línea Tokyo-Osaka del tren bala Tokaido Shinkasen que es utilizada diariamente por un gran número de pasajeros. Dicha línea fue inaugurada en 1964 y dicho tren alcanza una velocidad máxima de 270 Km/h; recorre la totalidad de la distancia de la línea en 150 minutos, y transporta alrededor de 140 millones de pasajeros al año. Cada día salen de la estación central de Tokyo 140 trenes con 16 vagones. Cada tren mide 400 m y puede llevar hasta 1300 pasajeros. Debido a que la demanda es superior a la oferta es obvio que Japón necesita otra línea de alta velocidadentre Tokyo y Osaka, y de aquí el gran interés por el rápido desarrollo del proyecto del tren de levitación en este país. Las razones para la elección de este sistema de transporte son las siguientes:   

 

Debido a la falta de rozamientos, la velocidad máxima teórica que puede alcanzar es muy superior a la de un tren convencional. Es un tren muy seguro, pues sus características constructivas hacen imposible el descarrilamiento. Como no existe contacto entre las partes móviles, éstas apenas se desgastan. Además desaparece la catenaria. Todo esto facilita el mantenimiento de los vehículos y la vía. Presenta niveles muy bajos de contaminación acústica. La única fuerza que limita su avance es la resistencia del aire.

El principio de funcionamiento de este tren es su propulsión, levitación y guiado por medio de la fuerza electromagnética que actúa entre los imanes superconductores del tren y las bobinas de la vía. El sistema de propulsión del vehículo es un motor síncrono lineal:  

El inductor son las bobinas trifásicas colocadas en la vía. El inducido son las bobinas superconductoras del tren.

La vía se divide en partes de una determinada longitud y las bobinas que están dentro de cada parte se conectan en serie entre sí formando una sección de alimentación. Cada sección se conecta a la toma de corriente mediante un interruptor de sección.

El sistema de levitación está compuesto por un imán superconductor en el tren y bobinas cortocircuitadas en la vía, las cuales pueden sustituirse por unas planchas de metal, haciendo el mismo efecto. Cuando el vehículo se mueve lo hace también el campo magnético creado por los imanes superconductores. Si el circuito es inductivo se genera una fuerza de levitación, mientras que si es resistivo la fuerza de levitación se anula y aparece una fuerza magnética de resistencia que se opone al movimiento. Como este sistema se basa en la corriente inducida en la bobina de la vía, la fuerza de levitación es cero cuando está parado. La fuerza de levitación aumenta con la velocidad del vehículo, aunque por encima de cierta velocidad el aumento es mínimo. Cuando la fuerza de levitación iguala el peso del vehículo, éste despega. Además el sistema de levitación genera una fuerza lateral que debe ser considerada y anulada por el sistema de guiado. El sistema de guiado se basa en el mismo principio que el sistema de levitación. La diferencia entre ambos reside en que el sistema de levitación actúa siempre para generar una fuerza que soporte el peso del vehículo, mientras que el sistema de guiado genera una fuerza sólo cuando el vehículo se desplaza lateralmente; por todo esto se suelen conectar entre sí las bobinas de ambos lados de la vía.

-> Sistema de levitación

-> Sistema de guiado

Dentro del apartado de construcción del sistema del tren lo que más se tiene en cuenta es el aspecto económico, por lo que para abaratar costes por kilómetro de vía es necesario disminuir el número de bobinas. Para llegar a tal objetivo se ha optado, tras numerosos estudios, por la disposición vertical de las bobinas. Los convertidores de potencia alimentan las bobinas de propulsión de la guía, lo que hace que estas bobinas actúen como imanes. La interacción entre las bobinas de propulsión y los imanes superconductores del tren produce la fuerza propulsora. Los imanes superconductores ejercen fuerzas de atracción y repulsión sobre las bobinas de la base, por lo que éstas deben de ser lo suficientemente resistentes. Como las bobinas de propulsión deben instalarse a lo largo de toda la vía, deben de ser lo más baratas posible. Para reducir considerablemente el campo creado por los armónicos se adopta por disponer las bobinas en doble capa, cubriendo cada bobina 180º eléctricos. Cualquier mecanismo basado en superconductividad necesita un sistema de refrigeración, ya que a temperaturas altas los materiales superconductores pierden sus propiedades y se vuelven conductores. El sistema de refrigeración utilizado en el tren japonés es un ciclo de gas cerrado en el que el refrigerador está directamente conectado al tanque de helio del imán y el compresor está situado en el vagón. Las partes de este sistema de refrigeración son:

   

Un refrigerador de helio. Un compresor. Un tanque de reserva de helio. Una unidad de control.

Sistema de refrigeración

Las condiciones que debe cumplir dicho sistema de refrigeración son: 

El helio evaporado por las pérdidas de calor y las vibraciones producidas por el movimiento tiene que ser licuado de nuevo por el compresor y el refrigerador de manera uniforme.



Durante la carga y descarga del superconductor (operación que normalmente se realiza una vez al día), el nivel de helio líquido decrece en el tanque, por lo que debe ser almacenado este helio evaporado en un tanque en cuanto la unidad de control detecte el incremento de presión en la entrada del compresor. El gas almacenado en el tanque se licuará de nuevo en el refrigerador por la noche; así la cantidad de helio líquido será la misma a la mañana siguiente. Esto significa que el sistema puede funcionar sin la reposición periódica de helio líquido incluso cargando y descargando diariamente el superconductor.



Cuando ocurre alguna avería en el refrigerador o el aumento de temperatura excede temporalmente la capacidad del refrigerador, es deseable que la influencia sea pequeña y que el imán superconductor siga funcionando el mayor tiempo posible.



Dado que el sistema de refrigeración va a ir a bordo del tren no es deseable que por causa de él aumente la magnitud de las fuerzas electromagnéticas necesarias para mover el vehículo, ni que consuman gran cantidad e energía eléctrica.

Para el correcto funcionamiento del sistema de propulsión el vehículo dispone de sensores de posición que por medio de un transmisor emiten señales de radio a través de un cable coaxial hasta el centro de control. Esta comunicación es bidireccional. En el centro de control, basándose en las señales recibidas desde el vehículo, se calcula la velocidad y distancia. Después se comunica al controlador (situado en la subestación y que controla los convertidores) la corriente apropiada para que el vehículo circule correctamente. El convertidor juega el papel más importante en el funcionamiento del tren magnético, ya que se encarga de suministrar la energía a las bobinas de propulsión que se encuentran en las vías.

Ultimo prototipo, aún en fase de desarrollo, para el tren magnético de levitación japonés http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/064/htm/sec_11.htm

IV. ALGUNAS APLICACIONES DE LA SUPERCONDUCTIVIDAD. PUEDE decirse que existen tres tipos de aplicaciones de la superconductividad: 1) La producción de grandes campos magnéticos. Al decir grandes nos referimos tanto a una gran intensidad del campo magnético como al espacio en el cual se crea el campo. 2) La fabricación de cables de transmisión de energía. Aunque éstos ya se manufacturan a partir de los superconductores convencionales (no de los nuevos superconductores cerámicos), actualmente no son competitivos comercialmente con respecto a los cables aéreos normales, a menos de que cubran una gran distancia (de cientos de kilómetros).

En los casos en que las líneas de transmisión deben ser subterráneas, habría cierta ventaja económica con la utilización de los cables superconductores. 3) La fabricación de componentes circuitos electrónicos. Estos dispositivos electrónicos fueron ideados originalmente con la intención de utilizar la transición de estado normal a estado superconductor como un interruptor, mas resultaron decepcionantes con respecto a los logros alcanzados por los transistores de películas delgadas y se ha abandonado su uso en este aspecto. Este panorama puede cambiar con el descubrimiento de los nuevos materiales superconductores cerámicos. Cabe mencionar que son de gran interés los dispositivos basados en la utilización del llamado efecto Josephson (que es el efecto de "tunelamiento" conocido por la mecánica cuántica, pero de corriente de superconductividad aun en ausencia de un voltaje aplicado). Resultan superiores a otras tecnologías y tienen un gran campo de aplicación que va desde la detección de señales del infrarrojo lejano que provienen del espacio exterior, hasta pequeñísimos campos magnéticos que se producen en el cerebro humano. También la corriente Josephson a voltaje cero depende fuertemente de un campo magnético aplicado, lo que lleva a la posibilidad de tener un interesante interruptor para circuitos lógicos en las computadoras. La aplicación más importante, en cuanto a la cantidad de material empleado, es y será por mucho tiempo la producción de campos magnéticos, que se emplean, principalmente, en los laboratorios de física con fines de investigación, y es común ver pequeños electroimanes superconductores que sirven para producir campos magnéticos con intensidades del orden de 103 Oersted. Dentro de la investigación en el campo de la física, también se utilizan electroimanes superconductores para generar campos magnéticos altamente estables, útiles en los estudios de la resonancia magnética nuclear y la microscopía electrónica de alta resolución. Son muy utilizados en las cámaras de burbujas que sirven para la detección de partículas y que requieren campos magnéticos muy intensos. Por otro lado, se espera que los motores y generadores superconductores tendrán enormes consecuencias en lo social y económico, en unos años más, pues para su elaboración se utilizan campos magnéticos intensos. También se desea utilizar electroimanes superconductores para la levitación de trenes de transporte de pasajeros o de carga.

Es conveniente señalar las propiedades que se requieren en los superconductores comerciales: 1) La mayor temperatura crítica posible. Esto se debe a que, cuanto mayor sea, más elevada podrá ser la temperatura de operación del dispositivo fabricado, reduciéndose de esta manera los costos por refrigeración requeridos para alcanzar el estado superconductor en operación. 2) El mayor campo magnético crítico posible. Como se pretende utilizar el superconductor para generar campos magnéticos intensos, mientras mayor sea el campo magnético que se quiere generar, mayor tendría que ser el campo crítico del material superconductor. 3) La mayor densidad de corriente crítica posible. A mayor densidad de corriente crítica que la muestra pueda soportar antes de pasar al estado normal, más pequeño podrá hacerse el dispositivo, reduciéndose, de esta manera, la cantidad requerida de material superconductor y también la cantidad de material que debe refrigerarse. 4) La mayor estabilidad posible. Es muy común que los superconductores sean inestables bajo cambios repentinos de corriente, de campos magnéticos, o de temperatura, o bien ante choques mecánicos e incluso por degradación del material al transcurrir el tiempo (como ocurre en muchos de los nuevos materiales superconductores cerámicos). Así que, si ocurre algún cambió súbito cuando el superconductor está en operación, éste podría perder su estado superconductor. Por eso es conveniente disponer de la mayor estabilidad posible. 5) Facilidad de fabricación. Un material superconductor será completamente inútil para aplicaciones en gran escala si no puede fabricarse fácilmente en grandes cantidades. 6) Costo mínimo. Como siempre, el costo es el factor más importante para considerar cualquier material utilizado en ingeniería y deberá mantenerse tan bajo como sea posible. ALGUNAS APLICACIONES DE LOS ELECTROIMANES SUPERCONDUCTORES Se han propuesto muchas aplicaciones industriales a gran escala de los imanes superconductores. En la actualidad existen algunos métodos alternativos que emplean campos magnéticos pero, si se aplica la

superconductividad en estas áreas, se espera obtener un ahorro considerable en costos de operación. En algunas otras áreas el uso de electroimanes superconductores ha hecho la idea técnica y económicamente posible. Algunas de las aplicaciones más importantes de los electroimanes superconductores, sin que la lista pretenda ser exhaustiva, es la siguiente: 1) Aplicaciones biológicas. Se sabe desde hace mucho tiempo que los campos magnéticos intensos afectan el crecimiento de plantas y animales. Así, se han utilizado electroimanes superconductores para generar campos magnéticos intensos y estudiar sus efectos en el crecimiento de plantas y animales y, además, analizar su efecto en el comportamiento de estos últimos. 2) Aplicaciones químicas. Es un hecho conocido que los campos magnéticos pueden cambiar las reacciones químicas y ser utilizados en la catálisis. 3) Aplicaciones médicas. Se han aplicado campos magnéticos para arreglar arterias, sacar tumores y para sanar aneurismas sin cirugía. También se estudia la influencia de los campos magnéticos en las funciones vitales del cuerpo humano. 4) Levitación. Una aplicación muy importante es en el transporte masivo, rápido y económico. La idea de usar una fuerza magnética para hacer "flotar" vehículos de transporte ha estado en la mente de los científicos por casi un siglo y la posible aplicación de la superconductividad a este problema lo ha renovado y actualizado. Hay, esencialmente, dos métodos posibles para conseguir la levitación. Uno corresponde a la utilización de un sistema atractivo y el otro a un sistema repulsivo. Describiremos muy brevemente los principios de funcionamiento de cada uno.

Figura 21. Dibujo que muestra un tren levitado por campos magnéticos producidos por corrientes superconductoras.

El sistema atractivo ha sido investigado, principalmente, en Alemania y Estados Unidos. Como es sabido, la fuerza magnética entre un material ferromagnético colocado en el seno de un campo magnético y la fuente que genera al campo magnético es siempre atractiva. El peso del vehículo es sostenido por esta fuerza atractiva. Las características básicas de este sistema son: a) el campo magnético necesario puede ser generado por electroimanes convencionales hechos de metales normales, a causa de la presencia de material ferromagnético; b) el uso de electroimanes de metal normal requiere una pequeña brecha de alrededor de 1 cm entre el material ferromagnético y los electroimanes. Aun con un diseño óptimo, utilizando metal normal, el costo es mucho menor cuando se utilizan electroimanes superconductores; c) la fuerza magnética aumenta cuando la brecha se hace más pequeña y disminuye cuando aumenta, lo cual significa que el sistema es inherentemente inestable, y para lograr su estabilización es necesario que tenga un mecanismo de retroalimentación que le permita regular la corriente y, por tanto, la fuerza atractiva.

Figura 22. Tipo de bobinas superconductoras para el transporte levitado(aplicación del Efecto Meissner).

Aunque no se puede hacer ninguna conclusión negativa acerca del sistema atractivo, éste presenta, al menos, dos desventajas cuando se trata de velocidades superiores a 250 km/h. La primera es la pequeña brecha en la cual debe operar. Una razón fundamental por la que el tren convencional de ruedas y rieles no puede viajar a velocidades superiores a 300 km/h es que su posición vertical tiene que ser mantenida dentro de una variación no mayor de 2 milímetros sobre una distancia de 10 metros. La segunda razón es que el sistema es intrínsecamente inestable con respecto al movimiento vertical. Estas dos desventajas, si bien no hacen imposible la operación a alta velocidad, si requieren una gran cantidad de energía eléctrica para lograr mantener una brecha del tamaño adecuado para velocidades mayores que 250 km/h. Se ha sugerido que los electroimanes de metal normal sean sustituidos por electroimanes superconductores para que sea posible construir una brecha de mucho mayor tamaño. La contraparte de este beneficio radica en la dificultad de controlar las corrientes necesarias para estabilizar la posición vertical.

Figura 23. Esquema del sistema de levitación por atracción.

En lo que se refiere al sistema de levitación por repulsión se puede decir que presenta mejores perspectivas. Este sistema funciona como una aplicación de la ley de Lenz de inducción de corrientes eléctricas al tener campos magnéticos que varían con el tiempo, en cuyo seno existe una espira de material conductor. El campo magnético que genera la corriente inducida da lugar a un campo magnético que tiene una polaridad opuesta al campo magnético original, creándose una repulsión entre ambos campos magnéticos. Un aspecto importante del sistema repulsivo es la disipación de energía que se da en el conductor; es una pérdida por la resistencia eléctrica del material conductor. Esta disipación depende de la frecuencia de excitación y tiene un máximo para cierto valor de la frecuencia. Sin

embargo, tiende a cero conforme la frecuencia de excitación crece hacia valores más grandes. La característica más importante del sistema repulsivo, en lo que se refiere a transportación masiva, es la utilización de electroimanes superconductores para proporcionar los campos magnéticos requeridos. Los electroimanes superconductores hacen posible generar un campo magnético intenso en un volumen grande y esto tiene profundos efectos en el diseño del sistema. Los puntos sobresalientes del sistema son: a) La brecha entre los electroimanes y el material conductor puede ser, al menos, de una magnitud mayor que para el caso atractivo. Esto es fundamental para el diseiío de operación de vehículos de alta velocidad. b) Un campo magnético intenso, generado sobre un gran volumen por los electroimanes superconductores, puede incorporarse fácilmente a un mecanismo de propulsión y de esta manera los mecanismos de suspensión (o levitación) y los de propulsión son compatibles. A menos que investigaciones posteriores indiquen lo opuesto, parece que no existen problemas técnicos fundamentales con este sistema. Sin embargo, se requieren algunas innovaciones técnicas antes de poder completar un diseño comercial. El descubrimiento de materiales superconductores cerámicos con una elevada temperatura crítica hace aún más atractiva la idea de la utilización de materiales superconductores para la transportación masiva. Cuando menos ya no se requerirá enfriar a temperatura de helio líquido, bastará con la refrigeración que proporciona el nitrógeno líquido. Claro que aún sigue la búsqueda de materiales cerámicos superconductores de temperatura crítica superior a la temperatura ambiente y, si se logra hallarlos, ya no será necesaria la refrigeración del sistema, reduciéndose así los costos de construcción y operación. 5) Generación de energía. Utilización de imanes superconductores para lograr "botellas magnéticas" que sirvan para la generación de energía nuclear por fusión que no presenta problemas de desechos radiactivos, como sucede con los actuales generadores de energía nuclear por fusión. 6) Separación magnética. Ésta se aplica comercialmente para separar materiales paramagnéticos y materiales ferromagnéticos: en la industria del caolín, para separar sustancias magnéticas de la arcilla; para la

limpieza magnética selectiva del carbón, o sea, separar sustancias minerales de sustancias orgánicas. 7) Limpieza de aguas contaminadas. Por medio de campos magnéticos se pueden separar las impurezas que al estar disueltas en agua quedan ionizadas y al fluir a través de un campo magnético pueden ser desviadas por éste y ser apartadas del agua. 8) Blindaje y modelaje de campos magnéticos. Puede lograrse por medio de planos superconductores que ya han sido utilizados para este fin en sistemas de producción de energía. 9) Aceleradores de mucha energía. Se han podido desarrollar electroimanes dipolares y cuadrupolares oscilantes de materiales superconductores, capaces de generar los campos magnéticos más intensos de la historia para su utilización en aceleradores de partículas de energía muy grandes. SISTEMAS INDUCTIVOS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA Un ejemplo de aplicación a gran escala de los electroimanes superconductores es el almacenamiento de energía, sistema que podría servir para una gran variedad de propósitos importantes. Para valores adecuados del campo magnético se pueden almacenar densidades de energía muy altas comparadas con otros sistemas de almacenamiento de energía. En esencia, en una bobina hecha de un material superconductor se deja circulando una corriente. Como no hay disipación de energía al no existir resistencia eléctrica, la corriente permanecerá circulando por mucho tiempo. Al momento de necesitarse la energía almacenada en la bobina, se toma. Dependiendo del tiempo en el que puede realizarse la descarga de energía eléctrica, los electroimanes pueden utilizarse en reactores de fusión o en sistemas de distribución comercial de energía eléctrica. Las descargas de energía del orden de milisegundos pueden utilizarse para iniciar una reacción de fusión nuclear de deuterio-tritio o de deuterio-helio3. Aunque ya es posible construir con los superconductores convencionales (con los nuevos superconductores cerámicos todavía no) electroimanes superconductores capaces de almacenar 10 000 millones de Joules (esto es del orden de 2 800 kilowatts-hora), el interruptor que permite la rápida descarga de energía aun presenta muchos problemas en su funcionamiento. Realizar descargas de 2.8 kilowatts-hora en 0.1 seg es posible con interruptores superconductores. De cualquier modo, el principal atractivo de la aplicación de estos sistemas sería su

utilización en las redes comerciales de distribución de energía eléctrica, sobre todo para el consumo en las llamadas "horas pico". La lista puede extenderse para incluir muchos otros usos, pero la confiabilidad, la facilidad en la operación de los electroimanes y las consideraciones económicas constituirán los factores más importantes en el diseño de sistemas electromagnéticos que utilicen superconductores. Para la mayoría de las aplicaciones técnicas, la operación de los electroimanes debe ser totalmente automática y esto requiere sistemas complicados de control y retroalimentación, así como sistemas de refrigeración de circuito cerrado interconectados con el sistema de alimentación de energía. ALGUNAS NOCIONES SOBRE CABLES SUPERCONDUCTORES Actualmente, un cable superconductor necesita de una cubierta refrigerante a su alrededor para mantenerlo a una temperatura inferior a la temperatura crítica del material que lo forma. Es evidente que si se dispusiera de un superconductor que trabajara a la temperatura ambiente (o mayor) el sistema de refrigeración no sería necesario. Claro que si se tuviera un elemento conductor fabricado con los nuevos materiales cerámicos, el sistema de refrigeración se simplificaría muchísimo en su diseño y disminuiría mucho su costo de fabricación. Nos referimos a los actuales cables superconductores convencionales. Aunque la filosofía del diseño permanecerá con los nuevos materiales cerámicos superconductores. Puede hacerse, a grandes rasgos, una distinción entre las características de los cables superconductores a partir de sus componentes: el aislamiento térmico y el sistema conductor eléctrico.

Figura 24. El motor eléctrico Fawley. Un motor hecho con alambres superconductores. Se fabricó en la decada de los setenta en Fawley, Inglaterra. Actualmente se utiliza como generador de energía.

Por otro lado, con respecto a la construcción mecánica, se tienen tres tipos de cables superconductores: 1) Rígidos. El aislamiento y el conductor se fabrican con tubos rígidos. Una de las dificultades principales de este diseño es que la longitud máxima de manufactura transportable es de 20 metros aproximadamente, de lo que resulta un gran número de uniones. Se requieren, además, componentes corrugados para compensar las contracciones térmicas.

Figura 25. Tipo de cable superconductor llamado rígido. Sus componentes son los mismos que los mostrados en las figuras 26 y 27: 1) tubo de protección, 2) superaislamiento, 3) vacío, 4) espaciadores, 5) fuelles, 6) nitrógeno líquido, 7) escudo frío, 8) helio líquido, 9) superconductor, 10) aislamiento eléctrico, 11) escudo frío, 12) retorno de helio, 13) tubo de helio y 14) soporte.

2) Semiflexibles. En este caso también el sistema de aislamiento térmico consta de tubos rígidos con componentes corrugados para compensar las contracciones térmicas. Sin embargo, el conductor es flexible y puede consistir de un tubo corrugado, o de alambres doblados en forma helicoidal sobre un soporte cilíndrico hueco. Estos cables superconductores pueden fabricarse en longitudes de 200 a 500 metros y ser transportados en tambores.

Figura 26. Cable superconductor del tipo semiflexible. Los componentes a que se refieren los números son los mismos que los de la figura 25.

3) Completamente flexibles. En este tipo de cable el aislamiento térmico también es flexible. El cable está construido con tubos corrugados, de manera que no hay problemas con respecto al transporte o a las contracciones térmicas. El conductor puede ser, otra vez, un tubo corrugado o alambre doblado en forma helicoidal.

Figura 27. Cable superconductor del tipo completamente flexible. Sus componentes son los mismos que los de la figura 25.

En los tipos de cable rígido y semiflexible todos los conductores pueden acomodarse en una envoltura térmica rígida común, lo que tiene un efecto para evitar pérdidas térmicas.

Estos cables han sido utilizados hasta ahora, principalmente, para la construcción de electroimanes de gran intensidad de campo y en pocos casos para líneas de transmisión. Es necesario mencionar que la tecnología de fabricación varía dependiendo de si el cable va a transportar corriente directa o corriente alterna. La diferencia se refiere a la disposición de los superconductores dentro del cable. Sin embargo, el esquema general permanece prácticamente sin cambio. Los materiales más utilizados hasta este momento siguen siendo Nb3Sn y NbTi. Hay que mencionar que las cualidades mecánicas de los nuevos materiales superconductores cerámicos para la fabricación de alambres son muy pobres. Sin embargo, se está trabajando febrilmente en desarrollar una tecnología que permita hacer alambres con los nuevos materiales superconductores cerámicos; ya se están comercializando algunas pequeñas bobinas para diferentes usos, especialmente en las fábricas de componentes electrónicos muy pequeños (de los llamados microchips).

Figura 28. Fotografía que muestra un cable superconductor del tipo completamente flexible.

ALGUNAS APLICACIONES EN LA ELECTRÓNICA La primera sugerencia para utilizar la transición del estado normal al estado superconductor en la electrónica fue hecha en 1956. El

dispositivo que se propuso recibió el nombre de criotrón. A continuación haremos una pequeña descripción de este dispositivo. Consiste en un par de alambres superconductores, uno enrollado alrededor de otro. Usualmente un alambre de niobio se coloca alrededor de un alambre de tantalio, aislados eléctricamente entre sí. El campo magnético crítico del niobio es bastante mayor que el del tantalio. Ambos alambres se encuentran inicialmente en un estado superconductor. Supongamos ahora que una corriente, I, pasa por el alambre de tantalio que, al ser superconductor, no ofrece resistencia al paso de la corriente. Si hacemos pasar una corriente IC, a través del alambre Nb, se genera un campo magnético dentro del cual el alambre de tantalio (Ta) queda inmerso. Si la corriente es suficientemente intensa se puede generar un campo magnético que lleve al tantalio a su estado normal. Si esto ocurre, aparece una resistencia eléctrica en el tantalio al paso de la corriente, reduciéndose así el valor de esa corriente. Sin embargo, el alambre de Nb puede permanecer en el estado superconductor ya que el campo magnético crítico del Nb es mayor que el del Ta para la misma temperatura. Por tanto, el valor de la corriente en el alambre del tantalio puede controlarse con una corriente menor. El alambre de tantalio recibe el nombre de alambre de paso o paso. El alambre de niobio recibe el nombre de alambre de control, o control. Por lo general el calibre del alambre de paso se toma lo más grande posible para así tener en él la mayor cantidad de corriente. Al principio se utilizaron criotrones como interruptores rápidos para su posible uso en computadoras. Incluso, existen criotrones de películas delgadas. En general, hubo bastante esfuerzo dedicado al desarrollo de circuitos superconductores de criotrones. Sin embargo, a mediados de los años sesenta, estos dispositivos habían perdido ya terreno respecto a los dispositivos de transistores que funcionan a la temperatura ambiente. La razón más importante, quizá, es que el criotrón no fue tan eficiente comparado con las versiones mejoradas del transistor. Sin embargo, con los nuevos materiales superconductores cerámicos los criotrones podrían ser de nuevo competitivos, ya que en ellos las temperaturas de refrigeración son mucho más grandes. Por otro lado, el criotrón se ha utilizado y se utiliza para controlar corrientes en circuitos de imanes superconductores.

Figura 29. Esquema que muestra al criotrón o relevador superconductor.

También ocurrió que el descubrimiento del llamado efecto Josephson y el desarrollo alcanzado en el campo de los circuitos integrados trajeron como consecuencia una perspectiva espléndida de aplicaciones de la superconductividad en la electrónica. El efecto Josephson consiste en el paso de corrientes superconductoras (pares de Cooper) a través de una unión que, normalmente y desde un punto de vista clásico, no debería dejar pasar ningún electrón. Es un fenómeno típicamente cuántico, explicable por la mecánica cuántica. La corriente Josephson está presente aun en ausencia de un voltaje aplicado a la unión (que recibe el nombre de unión túnel). Esta corriente de voltaje cero depende fuertemente de un campo magnético aplicado. Estas características permiten disponer de un interesante interruptor para circuitos lógicos. Este efecto también se observa, desde luego, en los nuevos materiales superconductores cerámicos. Es evidente que si tenemos pequeñas espiras de material superconductor por las que circula una corriente, se contará con información almacenada, pues la corriente permanecerá circulando en la espira sin pérdida y, como sabemos, toda corriente que circula genera un momento magnético. Si la corriente circulara en sentido contrario, el momento magnético generado sería opuesto al inicial. Estos dos sentidos de circulación pueden constituir dos estados de una célula de memoria.

Para las computadoras, el uso de dispositivos de efecto Josephson lleva a tiempos de transferencia de corriente extremadamente breves. Los tiempos de respuesta de un interruptor de efecto Josephson son de 5 a 10 picosegundos (un picosegundo es igual a 10-12 segundos). La dificultad de la aplicación del efecto Josephson radica en la elaboración de la unión en donde se da este efecto. Dicha unión ha de construirse con capas de oxido de unos 30 angstroms y, además, las características han de ser estables ante ciclajes térmicos y almacenamiento. Sin embargo, su utilización parece muy ventajosa y polifacética. El SQUID (dispositivo superconductor de interferencia cuántica, por sus siglas en inglés) es uno de los dispositivos superconductores más utilizados. Existen dos tipos de este dispositivo: el SQUID de corriente directa (cd) y el SQUID de radio frecuencia (rf). Son los instrumentos más sensibles que existen para medir una gran variedad de cantidades físicas: campos magnéticos, cambios espaciales de campos magnéticos, susceptibilidades magnéticas, voltajes muy pequeños y desplazamientos microscópicos. El SQUID de corriente directa está formado por dos uniones de tipo Josephson conectadas en paralelo en un circuito de superconductores. Cuando aplicamos una pequeña corriente, I, ésta fluye a través de las uniones como una supercorriente sin ocasionar una caída de potencial, esto es, sin requerir un voltaje aplicado a través de la barrera. Sin embargo, cuando esta corriente excede cierto valor crítico, IC, se genera un voltaje V en la unión y la corriente, IC, es una función oscilatoria del flujo magnético  que atraviesa el circuito (véase la figura 19 de la sección "La superconductividad en imágenes"). El periodo de esta función es de un flujón, que es un quantum de flujo magnético, 0 = h/2e = 2.07 x 10-15 weber. La naturaleza oscilatoria de la corriente se debe a la interferencia de las dos ondas que describen los pares de Cooper en las uniones, de manera análoga a la interferencia de dos ondas electromagnéticas coherentes (o sea dos ondas de luz). Por esto, al SQUID se le llama algunas veces interferómetro. El SQUID puede utilizarse como un magnetómetro extremadamente sensible, ya que es posible detectar un cambio de flujo, , mucho más pequeño que un flujón, utilizando un circuito de flujo magnético bloqueado que genera una corriente en la espira acoplada. al SQUID de manera que se genera un flujo para mantener el flujo magnético total del SQUIDen un valor constante. El voltaje de resultante de salida es proporcional a  y éste es proporcional al campo magnético

Figura 30. SQUID cd. Está formado por películas delgadas. Las dos uniones Josephson que lleva están abajo del cuadro oscuro, que es de Nb, en la región del borde inferior. La espiral cuadrada de 20 vueltas también es de Nb y está eléctricamente aislada del cuadro, pero muy acoplada a él magnéticamente. El cuadro es de 1 mm por lado aproximadamente.

El SQUID de radio frecuencia, es un diseño anterior al del SQUID cd. Consta de una unión Josephson incorporada a un circuito superconductor. El circuito está acoplado a la bobina de un circuito enfriado LC (bobinacondensador) que está excitado a su frecuencia de resonancia, típicamente de 30 MHZ. La amplitud del voltaje oscilante de radio frecuencia a través del resonante es periódico en el flujo magnético, con periodo de un flujón. Después de desmodular la señal de radiofrecuencia, la salida se utiliza para bloquear el flujo del SQUID, de la misma manera que en el SQUID cd. Este tipo de SQUID es mucho menos sensitivo que el SQUID cd, pero ha permanecido en el mercado hasta muy recientemente. Aunque, por ahora, es demasiado pronto para que estos dispositivos tengan una gran repercusión en aplicaciones prácticas, dentro de la próxima década se espera un gran auge, tanto en la variedad de estos dispositivos superconductores como en la variedad de sus aplicaciones. Una de las más novedosa es en biomagnetismo, donde se utilizan para detectar espeacialmente las fuentes de los pequeñísimos campos magnéticos generados por el cerebro.

Figura 31. SQUID rf. Está hecho en un configuración toroidal a partir de una barra sólida de Nb. La unión Josephson está en una plaqueta en la parte media.

Para finalizar, existen computadoras que tienen muchos elementos y dispositivos superconductores y que son mucho más rápidas que las construidas con materiales normales. En general las utilizan los departamentos de defensa de las grandes potencias para procesar la información de los satélites espías sobre un posible ataque con proyectiles. Se requiere procesar muchísima información sobre las trayectorias de los proyectiles para repeler un ataque y dar una respuesta rápida y contundente. También se utilizan para detectar y cuantificar los movimientos militantes cotidianos de todos los países del mundo. Desafortunadamente el mundo científico todavía no tiene acceso de manera plena a estas computadoras para realizar trabajos de investigación. En México se han dado ya los primeros pasos para entrar a la era de los nuevos materiales superconductores cerámicos de alta temperatura crítica que ofrecen tantas aplicaciones pacíficas para el mejoramiento de nuestras condiciones nacionales de vida. Sin embargo, el esfuerzo deberá no sólo mantenerse sino también incrementarse

LA SUPERCONDUCTIVIDAD EN IMÁGENES

Figura I. El efecto Meissner. En esta figura se muestra la "levitación" de un imán por la presencia de un superconductor. Esto ocurre debido al efecto Meissner. El imán, que en la fotografía tiene la forma de una moneda, se encuentra suspendido por fuerzas magnéticas. La pastilla cerámica se encuentra en la parte inferior y esta inmersa en nitrógeno líquido para mantenerla a una temperatura por debajo de su temperatura de transición y para que pueda así encontrarse en el estado superconductor. El efecto Meissner consiste en lo siguiente: al acercar un imán a un material superconductor se genera, magnéticamente, una imagen de él como si el superconductor fuera un espejo. De esta manera, el imán es siempre repelido por su imagen o lo que es lo mismo, por el superconductor. La fuerza de repulsión es capaz de contrarrestar el peso del imán, produciendo la levitación. Una aplicación de este efecto se da en vehículos de transporte masivo que "flotan" sin fricción con el piso y que reciben el nombre de magneplanos, porque virtualmente se desplazan volando. La pastilla cerámica es del compuesto 1-2-3 de itrio, Bario y cobre con una temperatura de transición de 89 Kelvin . La pastilla se preparó en el Instituto de Física de la UNAM en donde se tomó también la fotografía.

Figura II. Aquí se presenta un esquema de cómo se produce el efecto Meissner. Al acercar un imán (A) a un superconductor (B), se produce en este una imagen magnética (C) que lo repele. La intensidad de la fuerza de repulsión determina la altura a la que puede "flotar" el imán. Conforme más poderoso sea el imán, más poderosa será su imagen y mas intensa será la fuerza de repulsión, produciendo una flotación a mayor altura. Todo esto ocurre sin importar si el imán está quieto, trasladándose o girando sobre sí mismo. Siempre aparece una imagen instantánea de el en el superconductor, que lo repele y lo hace flotar. Por el efecto Meissner sabemos que el estado superconductor es un estado de la materia en el que no existe resistencia al paso de la corriente eléctrica y en el que los electrones se hallan en un estado muy especial de gran poder y correlación de unos con otros. En virtud de este estado, los campos magnéticos no pueden penetrar al superconductor. La manera en que el superconductor genera la imagen del imán es moviendo a los electrones, generando corrientes superficiales que, a su vez, generan un campo magnético que corresponden exactamente a la imagen del imán , produciéndose así la repulsión y, por lo tanto, la levitación.

Figura III. Un superconductor en presencia de un imán. El imán queda representado por un campo de fuerzas magnéticas simbolizadas por B. Cabe señalar que un campo magnético puede ser generado no solamente por materiales ferromagnéticos, sino también por cualquier corriente eléctrica. Esto es, cualquier corriente eléctrica es equivalente a un imán y capaz de desviar a una brújula colocada en su vecindad. La respuesta del superconductor ante la presencia del campo magnético se ilustra en la figura IV.

Figura IV. Cuando el campo magnético B intenta penetrar al superconductor, éste genera corrientes eléctricas superficiales que producen un campo magnético que se opone a B, cancelándolo en el interior del superconductor después de una distancia de la superficie del material que es, típicamente, del orden de un angstrom. Este fenómeno, que es el efecto Meissner, constituye una de las características esenciales de un superconductor. Sin el efecto Meissner, no podemos decir que tenemos un superconductor. Hay que hacer notar que cuando un material no tiene resistencia eléctrica recibe el nombre de conductor perfecto. Así, todo superconductor es un conductor perfecto, ya que tiene resistencia eléctrica cero. Pero el ser un conductor perfecto no es suficiente para ser un superconductor. Es necesario agregar el efecto Meissner. En otras palabras, aunque un superconductor es un conductor perfecto, no todo conductor perfecto es un superconductor. La diferencia estriba en el efecto Meissner. Puede demostrarse que las propiedades magnéticas de un conductor perfecto no llevan al efecto Meissner, son propiedades distintas de las de un superconductor. En esencia, en un conductor perfecto el campo magnético siempre debe ser constante y en el superconductor siempre debe ser cero, que es un requerimiento mucho más fuerte.

Figura V. Las corrientes críticas para un superconductor Tipo I. La corriente crítica se define como aquella para la cual se destruye el estado superconductor. En virtud de que cuando un alambre porta una corriente eléctrica se genera a su alrededor un campo magnético, las corrientes criticas y los campos críticos están íntimamente relacionados. Por eso esperamos que exista un valor máximo de la corriente que un superconductor puede llevar y que esta corriente máxima dependa del campo magnético aplicado a la muestra. En ausencia de campo magnético, las corrientes críticas de los superconductores pueden ser muy altas. Por ejemplo, para el caso de plomo, si tenemos un alambre de 1 mm de diámetro, enfriado a la temperatura de ebullición del helio líquido (4.2 K) el alambre puede llevar hasta 140 amperios de corriente superconductora, esto es, sin resistencia eléctrica. En un campo magnético la corriente crítica es menor. La figura muestra la forma en que la corriente crítica se reduce por la presencia de un campo magnético aplicado externamente. Aquí, el campo magnético está en dirección paralela al eje del cilindro, de manera que el factor de desmagnetización por la forma es cero. La expresión algebraica de esta variación está dada por:

donde HC es el campo crítico para una temperatura dada, Ha es el campo aplicado, IC es la corriente crítica y R es el radio del alambre.

Figura VI. Alambre superconductor cilíndrico Tipo I que lleva una corriente I, con un campo magnético, Ha, aplicado a lo largo del alambre. Al pasar una corriente por el alambre se genera un campo magnético perpendicular a él, HI. El campo magnético resultante es la suma vectorial de estos dos. En este caso el factor de desmagnetización por la forma es cero. Los dos vectores están formando un ángulo recto, de manera que la magnitud del campo resultante se halla por el teorema de Pitágoras y lleva a la relación entre el campo crítico, campo aplicado y corriente crítica dada en la figura V y que corresponde al arco de una elipse.

Figura VII. Muestra cilíndrica superconductora Tipo I en el seno de un campo magnético perpendicular al eje del cilindro. En este caso, el factor de desmagnetización es ½. La corriente fluye en una dirección perpendicular al plano de la página. De este modo, el campo aplicado, Ha, y el campo generado por la corriente que circula por el alambre se suman en la parte superior de la sección transversal del alambre y se restan en la parte inferior. Si suponemos campos suficientemente débiles, que no lleven a la muestra al estado intermedio, la corriente crítica para este caso está dado por:

donde la notación es la misma que en la figura V.

Figura VIII. El estado intermedio es una consecuencia de la forma geométrica del superconductor. Es sabido en electromagnetismo que el campo resultante

en el interior de un cuerpo puede ser mayor que el campo aplicado externamente debido al factor de desmagnetización por la forma (véase el capítulo II, "El estado intermedio"). Como consecuencia, existen en la periferia de la muestra, regiones sometidas al campo crítico aun antes de que el campo externo llegue al valor del campo crítico para la sustancia correspondiente. A primera vista uno pudiera esperar que toda la muestra pasara al estado normal tan pronto se llegara al campo crítico en su periferia, pero caeríamos en el absurdo de que toda la muestra pasara al estado normal con un campo aplicado inferior al campo crítico de la sustancia. Como consecuencia, tendríamos un cuerpo con regiones en el estado normal cerca de su periferia y en estado superconductor cerca de su centro, tal como se muestra. Está configuración resulta imposible de sostener, en virtud de que se puede aplicar el mismo razonamiento a la porción de material que queda en el estado superconductor, hasta transformar toda la muestra al estado normal. La solución a este problema se halla dándose cuenta de que las fases normales superconductoras pueden coexistir una junto a la otra del mismo modo que coexiste un liquido con su vapor. De esta manera se puede tener, alternadamente, regiones en el estado superconductor y regiones en el estado normal, llegándose de este modo a una configuración de equilibrio.

Figura IX. Evidencia experimental del estado intermedio. Uno de los métodos para la observación del estado intermedio se basa, como en este caso, en la tendencia de las partículas de material ferromagnético (limaduras de hierro, por ejemplo) a acumularse en regiones de alta densidad de campo magnético, y de partículas de material superconductor (que es un diamagneto perfecto, ya que no permite el paso de ningún campo magnético a su interior) a acumularse en regiones de baja intensidad de campo magnético. La fotografía, tomada de un trabajo realizado en 1957 y publicado por B. M. Baloshova e I. W. Sharvin en el vol. 4, p. 54 de la revista Soviet Physics. JETP, también de 1957, muestra una esfera de plomo de 3 cm de diámetro por debajo de su temperatura de transición superconductora, cubierta de un polvo de niobio (que se vuelve superconductor a una temperatura mayor que la temperatura de transición del plomo y es un diamagneto perfecto en la fotografía). La alternancia de las zonas claras y oscuras muestra la alternancia de zonas en estado normal con zonas en el estado

superconductor. El factor de desmagnetización por la forma para la esfera es de 1/3 y se encuentra en el estado intermedio. Las zonas oscuras son superconductoras.

Figura X. Valores de la energía libre de un superconductor sometido a un campo magnético externo y con un factor de desmagnetización distinto de cero. La línea continua muestra la evolución de la energía libre del material conforme aumenta la intensidad del campo magnético aplicado externamente. Se puede ver claramente que para el estado intermedio la energía del material es menor que si permaneciera totalmente en el estado superconductor y que también es menor que la energía que tendría el material si pasara todo al estado normal. En la naturaleza todas las cosas tienden a un estado de energía mínima. Así, el superconductor con un factor de desmagnetización por la forma distinto de cero "prefiere" encontrarse en el estado intermedio para valores del campo aplicado comprendidos entre H'C y HC, que ser totalmente superconductor o totalmente normal.

Figura XI. Película delgada superconductora en el seno de un campo magnético. Ya hemos visto que un campo magnético externo penetra unos cuantos angstroms en el interior de un superconductor. Este hecho tiene consecuencias relevantes en el caso de las películas delgadas. El campo magnético crítico para un material aumenta si éste se presenta en forma de película delgada. La magnitud del aumento depende de las dimensiones de la muestra con respecto a la profundidad de penetración del campo a partir de la superficie. El efecto es notable solamente si el volumen contenido dentro de la profundidad de penetración del campo magnético es comparable con el volumen total de la muestra. Se puede demostrar que para temperaturas no muy cercanas a la temperatura de transición (desde luego, por debajo de ésta) el aumento del campo crítico será mayor de 10% si el espesor de la película es inferior a 5 000 angstroms. Para el caso de una película muy delgada, digamos de 100 angstroms o menos, el campo crítico puede crecer por un factor de 10, especialmente si la temperatura de la muestra es cercana a la temperatura crítica del material. De aquí la importancia tecnológica de obtener películas delgadas superconductoras, especialmente con los nuevos materiales cerámicos superconductores de alta temperatura crítica.

Figura XII. Sección transversal típica de una película delgada obtenida por evaporación. Nótese la disminución gradual del espesor en los bordes. Una consecuencia importante de la dependencia del valor del campo crítico en el espesor de la película del material es que la definición de la transición magnética de una película delgada depende mucho de la naturaleza de sus bordes. Por regla general, los bordes de las películas preparadas son como se muestra. Al ser los bordes más delgados que el resto de la película, tienen un campo crítico mayor. Si la prueba para verificar que la película delgada es superconductor consiste en pasar una corriente a través de ella y ver si aparece una diferencia de potencial en sus bordes, éstos permanecerán en el estado superconductor y darán lugar a una resistencia cero aun si el resto de la película ya se encuentra en estado normal. Esto tiene dos consecuencias inmediatas: primero, la intensidad de campo magnético al cual aparece un voltaje (esto es, transición al estado normal) puede ser considerablemente mayor que el verdadero campo crítico de la película; segundo, como es muy poco probable que los bordes sean perfectamente uniformes a lo largo de la película, la transición del estado de resistencia cero al estado normal puede ser muy ancha con respecto al campo magnético aplicado externamente. Para obtener una transición mucho mejor definida, lo que generalmente se hace es recortar los bordes para tener los extremos del mismo grosor que el resto de la película.

Figura XIII. Variación de la banda de energía prohibida a los electrones superconductores con respecto a la temperatura. Una de las características más importantes de un superconductor es la presencia de una banda de energía prohibida a los electrones, situación semejante a la que se tiene en un semiconductor. La presencia de esta banda hace que los electrones superconductores requieran, al menos, la energía que corresponde a la anchura de esta banda para pasar al estado normal. Conforme crece la temperatura, disminuye la energía para hacer que un electrón pase al estado normal, esto es, para que se rompa un par de Cooper. Cualquier teoría que explique la superconductividad tendrá que predecir la variación de esta banda correctamente. La figura muestra la predicción que se realiza, por la teoría de BCS (teoría de Bardeen, Cooper y Schrieffer, formulada en 1957). Los resultados experimentales para los superconductores convencionales (no para los nuevos superconductores cerámicos de alta temperatura crítica) se apegan muy bien a las predicciones de la teoría BCS. Para los nuevos materiales cerámicos aún hay mucha controversia sobre la manera en que esta banda cambia con la temperatura, mas hay indicaciones de que la variación de esta banda con la temperatura se parece mucho a la predicción que se hace con la teoría BCS, pero todavía se requieren más verificaciones.

Figura XIV. Esquema de un electrón viajando a través de la red cristalina. En los materiales superconductores convencionales, la red cristalina de iones

desempeña un papel importantísimo en la aparición de la superconductividad. Puede demostrarse que cuando existe una fuerza efectiva de atracción entre dos electrones, pertenecientes a un metal, estos electrones quedan ligados entre sí, sin importar la intensidad de la fuerza. A la pareja de electrones ligados entre sí se les conoce como par de Cooper. Actualmente es muy claro que para los superconductores convencionales el origen de la fuerza de atracción es la interacción electrón-electrón mediada por la red cristalina. A esta interacción se le conoce comúnmente como de electrón-fonón-electrón. Para los nuevos superconductores cerámicos se tiene ya muy claro que existen los pares de Cooper. Sin embargo, aún no es claro el mecanismo o mecanismos que llevan a su formación. Hay evidencias de que la red cristalina interviene en la formación de los pares de Cooper, pero no como el único mecanismo.

Figura XV. Esquema de la solución numérica de las ecuaciones que resultan para la energía de un par de Cooper. El valor de la energía de los dos electrones en el metal que interaccionan atractivamente queda dada por la intersección de la recta señalada como I/V y las curvas verticales en la figura. Puede verse que existen muchas respuestas posibles para el valor de la energía, sin embargo, solamente existe una solución de valor negativo para la energía que implica que los electrones quedan ligados el uno al otro. La letra V representa a la intensidad de la fuerza de atracción. Nótese que sin importar que tan débil sea la atracción entre los electrones del par, siempre existirá una intersección del lado de energías negativas. Esto significa que siempre se podrá obtener una pareja de electrones ligados entre sí cuando exista una interacción efectiva de atracción entre ellos, sin importar que tan débil sea esta.

Figura XVI. Diagrama de niveles de energía de dos metales normales a través de los cuales se da el llamado efecto túnel de los electrones para pasar de un metal a otro. La zona representa estados electrónicos ya ocupados por los electrones en cada metal. La parte blanca muestra los estados disponibles. A temperatura cero, el paso de los electrones de un metal a otro queda completamente prohibido por el principio de exclusión de Pauli. Cuando se aplica un voltaje positivo al metal de la derecha, de manera tal que los niveles de energía de Fermi, EF, ya no coinciden, hay estados ocupados en el metal de la izquierda al mismo nivel que estados desocupados en el metal de la derecha y el efecto túnel puede ocurrir, como se indica por las flechas. Es evidente que el número de estados que quedan disponibles para el proceso dependen del voltaje aplicado, y si la probabilidad de tunelamiento es constante, como ocurre por voltajes aplicados muy pequeños, la corriente resultante varía linealmente con el voltaje aplicado.

Figura XVII. Esquema que muestra el tunelamiento de electrones entre un metal normal y un superconductor. Las figuras a), b) y c) muestran las relaciones entre los niveles de energía a temperaturas muy cercanas a 0 Kelvin, para varios valores de la diferencia de potencial, V, aplicada al superconductor con respecto del metal normal. Si V es positiva el proceso de

tunelamiento comienza cuando V alcanza el valor /e, donde  es la anchura de la banda de energía prohibida y e es la magnitud de la carga de un electrón, lo que se puede ver en la parte d) de la figura. Esto ocurre porque en estas circunstancias la parte más baja de los valores de las energías de los estados excitados de los pares de Cooper en el superconductor coincide con el nivel de Fermi del metal normal, como se muestra en la parte b) a partir de este momento es posible, para los electrones en el metal normal, pasar por tunelamiento a los estados disponibles en la banda de energía de estados excitados del superconductor. Al aumentar el voltaje aplicado al superconductor, aumenta el número de partículas que pasan a él por el efecto túnel. Si el voltaje aplicado al superconductor es negativo, el tunelamiento comienza cuando el voltaje alcanza el valor de -/e. Aquí, comienza a ocurrir un proceso nuevo, el rompimiento de un par de Cooper. Este proceso está descrito en la parte c). Puede verse como un par de Cooper se rompe y uno de los electrones pasa por tunelamiento a un estado del metal normal por arriba de la energía de Fermi. El otro electrón del par salta a la banda de energía prohibida del superconductor y queda en uno de los estados excitados. El número de pares que pueden romperse de esta manera aumenta en relación al voltaje aplicado. Nótese que una manera de medir la anchura de la banda de energía prohibida en el superconductor es midiendo el voltaje al cual comienza la corriente de tunelamiento. Hay que señalar que a temperaturas mayores puede ocurrir que una corriente muy pequeña fluya para voltajes entre /e y -/e. Esto ocurre en virtud de que a estas temperaturas hay unos cuantos electrones excitados en estados por arriba del nivel de Fermi en el metal normal que pueden, si existe un voltaje positivo aplicado, pasar por tunelamiento a la banda de estados excitados del superconductor. También existen por la excitación térmica, algunos estados vacíos por debajo del nivel Fermi en el metal normal que quedan disponibles para el tunelamiento de los electrones del material superconductor que provengan del rompimiento de un par de Cooper, si existe un voltaje aplicado con un signo negativo. De cualquier manera, es muy marcado y notable el aumento en la corriente de tunelamiento cuando el voltaje aplicado es /e o -/e.

Figura XVIII. Tunelamiento de electrones individuales entre dos superconductores idénticos. Las partes a), b), y c) muestran la relación entre los niveles de energía. La parte c) muestra la corriente de tunelamiento electrónico resultante. A temperaturas cercanas al cero absoluto el tunelamiento se da tanto de izquierda a derecha como de derecha a izquierda, de modo que no hay un flujo neto de corriente. Supongamos que ahora aplicamos un voltaje positivo al superconductor de la izquierda con respecto al de la derecha. El diagrama de energías del de la izquierda se va a desplazar hacia abajo con respecto al de la derecha, por el signo negativo de la carga electrónica y por una cantidad de magnitud eV, como se ilustra en la parte b). Ahora tenemos un flujo neto de electrones por tunelamiento del superconductor de la derecha al de la izquierda, porque los electrones de la izquierda no tienen estados disponibles en el superconductor de la derecha a los cuales llegar por tunelamiento, en tanto que los de la derecha sí tienen estados accesibles en los de la izquierda a los cuales llegar por tunelamiento. La corriente aumenta con V hasta que los estados accesibles de la izquierda quedan por arriba de los estados ocupados por los electrones de la derecha, de manera que los electrones de la derecha ya no pueden pasar por tunelamiento a la izquierda. Puesto que las energías de todas las partículas están dentro de un intervalo de KBT,, a partir del nivel mas bajo, esta etapa se alcanza cuando eV ~ KBT, o sea, cuando V ~ 10-4 Volts. Si V se aumenta más, la corriente permanece prácticamente constante, porque los electrones que son capaces de pasar por el efecto túnel, que son los que están en el superconductor de la derecha, permanecen constantes en número. Sin embargo, cuando V alcanza la magnitud 2 /e, un proceso adicional, el rompimiento de un par de Cooper, empieza a ser posible, como se muestra en la parte c) de esta figura . Uno de los electrones que resulta del rompimiento del par puede pasar por tunelamiento al superconductor de la izquierda para ocupar el nivel mas bajo de la correspondiente banda de estados excitados. El segundo electrón pasa a la parte mas baja de estados excitados del superconductor de la derecha. Como resultado de este proceso se tiene un flujo de electrones adicionales de derecha a izquierda y la corriente aumenta rápidamente. Si V sigue aumentando mas allá de 2/e, se sigue dando este proceso con la única diferencia de que ahora los electrones van a pasar a estados excitados. Existiran más combinaciones de estados excitados que pueden servir como estados finales y la corriente de tunelaje aumenta rápidamente, como se indica en la parte d) de la figura. Cuando se tienen superconductores diferentes el proceso de tunelamiento es completamente análogo.

Figura XIX. Efecto Josephson. Cuando los pares de superelectrones (esto es, los pares de Cooper) pasan por el efecto túnel a través de una unión túnel sumamente delgada, se da el efecto Josephson. Este resulta de la interferencia entre ondas macroscópicas de corrientes superconductoras. Si se genera una corriente a través de una unión túnel sumamente delgada, las hondas superconductoras son coherentes, pero difieren por algún desfasamiento que depende del tamaño de la barrera túnel. Hay dos efectos principales: el efecto dc y el efecto ac. En el efecto dc, una corriente dc fluirá a través de la junta túnel aún en ausencia de voltaje aplicado o campo magnético aplicado. En el efecto Josephson ac, si existe un voltaje aplicado a través de la unión túnel, se observarán oscilaciones de corriente de radio frecuencia (rf). Si se aplica un voltaje oscilante de radio frecuencia, se puede reducir una corriente dc. En la figura se presenta un diagrama del efecto Josephson: a) es una supercorriente, I, que se divide a través de dos uniones y sufre un cambio de fase debido a un potencial aplicado. En b) el flujo magnético,, induce una supercorriente adicional, Is, que sufre un cambio de fase + y - en las uniones. En c) se tiene la medición de la supercorriente resultante en un SQUID de baja temperatura crítica, que muestra interferencia en el transporte de corriente.

Figura XX. Esquema utilizado para definir un campo termodinámico crítico para un superconductor tipo II. El triángulo rectángulo se traza de manera que tenga un área igual a la parte sombreada dentro de la curva de magnetización. Es posible demostrar, por un cálculo termodinámico, que el trabajo hecho por el campo magnético sobre la muestra para magnetizarla cambia la energía libre del material al pasar del estado superconductor al estado normal y que se da por la diferencia entre las energías libres del estado normal y el estado superconductor. Este trabajo está dado por el área encerrada en la curva de magnetización y es (1/2) o HC2V, donde V es el volumen de la muestra para un superconductor tipo I y HC es el campo crítico. Esto también es válido para un superconductor tipo II, donde HC queda definido a través de esta figura.

Figura XXI. Corrientes críticas para alambres fabricados con un superconductor tipo II. La gráfica a) se refiere a un alambre con muy pocas imperfecciones (muy pocas dislocaciones, vacancias, impurezas y cualquier

otro tipo de imperfección) y en el seno de un campo magnético aplicado a lo largo del alambre. La gráfica b) se refiere a un material con un número apreciablemente grande de imperfecciones y con un campo magnético aplicado perpendicularmente al alambre. En un campo magnético cuya intensidad es menor que el campo crítico, HC1, un superconductor tipo II se encuentra completamente en un estado superconductor y se comporta como un superconductor tipo I. Cuando el campo aplicado es mayor que HC1 pasa al estado mixto. El valor de la corriente crítica para campos menores que HC1 queda determinado del mismo modo que para el caso de los superconductores tipo I, donde HC pasa a ser HC1. De hecho, esto ocurre así sólo en el caso de muestras que presentan muy pocas imperfecciones, como se ve en la parte a) de esta figura. De otro modo, se tiene el comportamiento mostrado en la parte b). Es un hecho ampliamente conocido que cuando un superconductor pasa al estado mixto, el valor de la corriente crítica está controlado casi completamente por imperfecciones del material. Conforme más imperfecto es el material, más grande es el valor de la corriente crítica. Un alambre altamente imperfecto puede llevar hasta alrededor de 105 amperios/cm2. Recíprocamente un espécimen bastante perfecto tiene una corriente crítica pequeña, del orden de unos cuantos miliamperios/cm2, cuando se encuentra en el estado mixto. Esta dependencia de la corriente crítica con la imperfección del material es de una importancia tecnológica muy grande, puesto que los electroimanes superconductores requieren alambre de resistencia cero y una gran capacidad de portar corriente, esto es, de una corriente crítica muy grande. Cabe señalar que los nuevos superconductores cerámicos de alta temperatura corresponden a los superconductores tipo II.

Figura XXII. Estructura cristalina del sistema Yba2 Cu3 O7. Este compuesto se descubrió en un intento de reemplazar al lantano en el compuesto de La-BaCu-O. Con otra tierra rara, el itrio (Y). Se observó una temperatura de transición mucho más elevada, 93K. Éste fue el primer compuesto descubierto que tenía una temperatura de transición superconductora por arriba de la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido. La figura muestra la estructura por capas del sistema Y-Ba-Cu-O, con el empaquetamiento (a) y la coordinación (b).

http://html.rincondelvago.com/obras-publicas_materiales-modernos.html .- INTRODUCCIÓN 1.- INTRODUCCIÓN Los nuevos materiales (materiales cerámicos, cristales líquidos, fullerenos, superconductores, semiconductores) han sido objeto de estudio desde un tiempo atrás. Desde entonces se han estado investigando la naturaleza, propiedades y las distintas utilidades de cada uno de ellos, siendo estas muy variadas y bastante interesantes. Debido a sus propiedades y aplicaciones estos materiales son de gran importancia en los avances tecnológicos e industriales de los últimos tiempos. Como ejemplo es interesante mencionar a los Fullerenos, material que ahora mismo está siendo estudiado exhaustivamente, el cual por sus propiedades y aplicaciones posiblemente se convierta en el combustible del futuro. 2.- MATERIALES CERÁMICOS 2.1.- Introducción. Siempre se hay pensado que el hierro y sus aleaciones son unos materiales muy fuertes resistentes, pero estos materiales tienen una gran desventaja: no soportan las altas temperaturas y son sensibles a la corrosión. Esto da pie a buscar la alternativa con otros materiales que resistan temperaturas muy elevadas. Esto sólo es posible para los nuevos materiales cerámicos. Las uniones atómicas de las cerámicas son mucho más fuertes que la de los metales. Por eso un pieza cerámica es muy eficaz, tanto en dureza como en resistencia a las altas temperaturas y choques térmicos. Además, los componentes cerámicos resisten a los agentes corrosivos y no se oxidan. Sin embargo no todo es perfecto en estos materiales. En las cerámicas las uniones interatómicas son muy fuertes y rígidas, sin ningún gire errante, por lo que no hay ninguna posibilidad de desplazar algunos de sus átomos sin provocar la ruptura de la unión, por ello una mínima fisura de apenas el grosor de un pelo puede conducir a una catástrofe. Bajo presión todas las fuerzas de atracción se concentran al final de la línea de la fisura, hasta que se rompen más uniones moleculares, con lo cual la grieta se amplia a una velocidad vertiginosa y la pieza se quiebra. No hay deformación sino fractura. La ruptura de la unión molecular en el hierro exige más energía que el simple desplazamiento de una capa de átomos. La misma grieta en un componente metálico llega a un punto extremo en el que las fuerzas se reparten y al aumentar la fisura hasta fractura de la pieza requeriría casi cien mil veces más energía que la necesaria en una pieza similar de cerámica. Por ello, hoy por hoy, la principal precaución de los investigadores consiste en reducir esa fragilidad. 2.2.- Naturaleza La arcilla es de tipo sedimentario, formada por fragmentos de otras rocas. Está formada por materiales arcillosos (silicatos y alúmina hidratada). Los principales minerales arcillosos son:



Arcilla caolinita: contiene un elevado porcentaje de alúmina para cerámica compacta.



Arcilla montmorillonita: poco utilizada.



Arcilla illita: son muy abundantes y las más utilizadas por sus propiedades plásticas. Existen dos características fundamentales para la fabricación de materiales cerámicos con arcilla:



Plasticidad: que es la capacidad de formar una masa plástica, fácil de moldear cuando añadimos agua.



Comportamiento frente al calor: soporta muy bien el calor, y su acción lo convierte en un producto muy resistente y durable. Las arcillas poseen agua en su interior, la cual tras el proceso de cocción desaparece. Una arcilla posee tres tipos de agua interior:



Agua de contracción: se encuentra entre las partículas cristalinas y se elimina a los cien grados centígrados.



Agua zeolítica: se encuentra intercalada en los vacíos de la red cristalina. Se elimina entre los trescientos y cuatrocientos grados centígrados.



Agua de constitución: forma parte de La estructura química y cristalina de la arcilla. Se elimina a los mil o mil doscientos grados centígrados, en la cual aún sigue siendo moldeable. 2.3.- Tipos. Los materiales cerámicos provienen de arcillas sometidas a distintos procesos:



Cerámica ordinaria: se utiliza a temperatura ambiente.



Cerámica refractaria: se utiliza a temperatura elevada. Sus componentes fundamentales son: sílice, alúmina (le da el color y el aspecto determinado) y algunos óxidos metálicos. Los cerámicos ordinarios se clasifican según su aspecto en cuatro tipos:



Cerámicos porosos: poseen arcilla de grano grueso, ásperos, permeables y absorben la humedad (ladrillos, tejas, etc.).



Cerámicos semicompactos: poseen arcilla de grano fino, poco permeable y no absorben la humedad.



Cerámicos compactos: poseen estructura microcristalina, impermeables (lozas finas, porcelanas), suaves y no absorben humedad.



Cerámicos tenaces: soportan altos esfuerzos y temperaturas elevadas. 2.4.- Obtención. La fabricación de componentes cerámicos tiene lugar de la siguiente manera:

 Selección de la materia prima, integrada preferentemente por nitratos de silicio, carburo de silicio, óxido de circonio, etc.  Una vez elegidos los materiales básicos se procede a molerlos hasta conseguir un polvo finísimo o y se mezcla en la proporción más adecuada.  Se introduce el polvo en el molde que conformará la pieza.  Se somete a la prensa estática (llamada así porque actúa en todas las direcciones) a presiones muy altas, hasta 3000 kilos por centímetro cuadrado.  Se cuece al horno a una temperatura de entre 1600 y 2000 grados centígrados. El proceso de prensado y cocción se denomina sinterización.  Sin embargo las piezas no salen absolutamente perfectas de la prensa y a algunas se las impone un posterior ajuste de calibración. La enorme dureza del material se convierte ahora en un inconveniente, ya que solo se puede utilizar el diamante en su tallado. Incluso con este tipo de herramientas la remecanización resulta lenta y trabajosa y desgaste rápidamente el utillaje, lo que encarece notablemente los costes. Como alternativa se está investigando nuevos métodos de tratamiento de las superficies cerámicas basado en ultrasonidos.  La última fase del proceso de fabricación es el control de calidad. 2.5.- Propiedades. Las propiedades más importantes en los materiales cerámicos son: 

Color y aspecto: el color depende de las impurezas (óxido de hierro) y de los aditivos que se empleen con la finalidad de ornamentar en la construcción.



Densidad y porosidad: son en todo análogas en lo definido para piedras naturales. La densidad real es del orden de 2g/cm3.



Absorción: recibe el nombre de absorción específica al % en peso de agua absorbida respecto de una pieza seca. Con ella está relacionada la permeabilidad.



Heladicidad: es la capacidad de recibir las bajas temperaturas sin sufrir deterioros en las caras expuestas al frío.



Resistencia mecánica: usualmente la exigencia se refiere a la resistencia a compresión y módulo de elasticidad, magnitudes muy relacionadas con la porosidad. Cabe así mismo señalar la aceptable resistencia a tracción del material cerámico. 2.6.- Aplicaciones. Las aplicaciones que tienen los distintos productos cerámicos son: 1.- Cerámicos porosos:  Fábrica de ladrillos:  Divisiones interiores.

 Divisiones exteriores.  Estructurales.  Cubiertas.  Estructuras planas.  Azulejería. 1.5 Conducciones. 1.6 Pavimentos. 1.7 Elementos auxiliares. 2.- Cerámicos impermeables: 2.1 Cerámicos vidriados. 2.2 Cerámicos impermeables: 2.2.1 Gres. 2.2.2 Loza y porcelana. 3.- Cerámica refractaria: 3.1 Ladrillos refractarios. 1.- Cerámicos porosos 1.1.- Fábrica de ladrillos: Sabiendo que los ladrillos son piezas paralelepipédas útiles para la fabricación de muros, tabiques, pilares, arcos, etc. definimos aparejo como las diferentes formas de colocar un ladrillo en las diferentes obras de fábrica. Para colocar el ladrillo, este ha de haber sido mojado para eliminar el polvo que pueda tener, ya que así conseguimos una mejor adherencia entre ladrillo y mortero. Hay varios tipos de fábrica de ladrillos. 1.1.1 Divisiones interiores: 

Tabiques: entre espacios del mismo uso.



Tabicones: entre espacios de distinto uso. 1.1.2 Divisiones exteriores:



Cítaras: muros de serramiento.



Capuchinas: muros de serramiento exterior. 1.1.3 Estructurales:



Muros de carga: tienen función de soportar carga.



Pilares: se construyen aparejando ladrillos.



Arcos: ladrillos unidos por su tabla de tal forma que sus testas generan un arco.



Bóvedas: son arcos de gran profundidad formado por tabiques horizontales curvados. 1.2.- Cubiertas: Son las partes superiores de la obra destinadas a aislar térmica y acústicamente la misma, así como impermeabilizarla. Debe resistir heladas, esfuerzos a flexión y los agentes químicos atmosféricos. Hay dos tipos:



Cubiertas inclinadas: tejados.



Cubiertas planas: azoteas. 1.3.- Estructuras planas: Las piezas a utilizar deben reunir la características de ligereza y absorción al agua y ser resistentes tanto a flexión como a compresión.



Aligerantes: para forjados.



Forjados: para conformar el hormigón entre las viguetas.



Resistentes: para conformar las vigas y las viguetas. 1.4.- Azulejería: La azulejería se utiliza para revestimientos. Son productos de base porosa a los que se le aplica una capa de vidriado en una de sus caras, con el fin de darles impermeabilidad, dureza y decoración. Se aplica en zonas húmedas y con necesidad de higiene y decoración. 1.5.- Conducciones: Los materiales a usar deben tener las características físicas de impermeabilidad y baja rugosidad. La resistencia química es primordial.



Saneamientos: elevada resistencia a la agresión química.



Humos y olores: conductos verticales para la evacuación de gases que no deben permitir depósitos en sus paredes. 1.6.- Pavimentos: Deben tener las propiedades físicas de la dureza, ser antideslizante y resistente a la helacidad (en exteriores), propiedades mecánicas de resistencia a flexión, abrasión y adherencia a

morteros, y propiedades químicas a todo tipo de productos. La pieza a utilizar son las baldosas. 1.7.- Elementos auxiliares: Debido a la diversidad de las piezas no se puede generalizar las características a cumplir. 2.- Cerámicos impermeables 2.1 Cerámicos vidriados: Se aplica en esmaltadoras sobre una de las caras y en algunas de las piezas de esquina en el canto. Se realiza por cortina, pulverizando con aire o pulverizado mecánico. 2.2.- Cerámicos impermeables: 

Gres: material cerámico obtenido por mezcla de arcillas muy vitrificables, las cuales le proporciona compacidad, impermeabilidad, dureza y resistencia a la abrasión. Se utiliza principalmente en pavimentos interiores, en revestimientos de paredes y en revestimientos de piscinas (el llamado gresite). También se utiliza en fregaderos y duchas.



Porcelanas: fabricados con productos de alta calidad, grano muy fino y bien seleccionado. Se utiliza para fabricar piezas de pequeño espesor de pared. Según la impermeabilidad se clasifican en: Loza sanitaria. Gres sanitario. Porcelana vitrificada. 3.- Cerámica refractaria 3.1 Ladrillos refractarios: Son materiales que han de soportar altas temperaturas y cambios bruscos de la misma. Poseen una baja conductividad térmica y en construcción se utiliza sobre todo en chimeneas. 3.- FULLERENOS C60, 60 átomos de carbono formando un icosaedro truncado compuesto por 12 pentágonos y 20 hexágonos, que parecen exactamente de fútbol. Reciben el nombre de Buckminsterfullerenos en honor al ingeniero norteamericano R. Buckminster Fuller. Pero más tarde pasaron a denominarse futbolanos. Son compuestos formados por más de 32 átomos de carbono que se agrupan bajo el nombre común de fullerenos. Tiene un diámetro aproximado de un nanómetro. Su forma es perfectamente redonda, debido a esto, tiene ausencia de cargas eléctricas y carente de enlaces que lo permiten girar

libremente sobre sí misma a una gran velocidad angular (100 millones/s). También debido a su equilibrada estructura es una mezcla molecular enormemente estable y elástica. Los cristales del C60 son blandos como los del grafito, pero, si se comprimen en un 70% de su volumen original, se vuelven duros como el diamante. Sin embargo, en cuanto la presión cesa, vuelven a recuperar su volumen. La manera de conseguir grandes cantidades de este compuesto, reside en, no enfriar demasiado bruscamente el grafito vaporizado. Cuando la temperatura se mantiene alta y el enfriamiento se produce con lentitud, se permite que el carbono complete su formación de anillo. 3.1.- Propiedades y aplicaciones. En su estado natural el C60 no es conductor de la electricidad. Sin embargo, científicos de un compañía norteamericana han descubierto que cuando sele añaden ciertas impurezas como el potasio, se obtiene un compuesto que sí es conductor. Pero cuando la cantidad de potasio es demasiado elevada, la nueva sustancia vuelve a convertirse en aislante. Así que puede ser un increíble semiconductor para sofisticadas aplicaciones en microelectrónica. Por si fuera poco, cuando este compuesto se enfría por debajo de los 255 ºC, se transforma en un superconductor. Los científicos creen que en un futuro muy cercano, los fullerenos permitirán fabricar superconductores capaces de transmitir la corriente eléctrica sin pérdidas. Sorprendentemente los fullerenos presentan capacidades ferromagnéticas, aunque no contiene hierro. De modo que podrían utilizarse perfectamente en la construcción de imanes plásticos de muy poco peso. Otros investigadores acaban de descubrir que los compuestos de C60 y Flúor forman un compuesto de teflón que acaso llegue a convertirse en el más eficaz lubricante de la historia. Debido a la fortaleza de su estructura los investigadores creen que las cadenas compuestas por moléculas de C60 permitirán manufacturar una nueva generación de polímeros, que resultarían ser materiales increíblemente resistentes. Se estudian otras experiencias que abren la puerta a la posibilidad de conseguir algún día hilo de espesor atómico que harían nacer una nueva era para la microelectrónica. Eso, sin contar, con la capacidad de los fullerenos para transportar otros tipo de moléculas en su interior. 4.- SUPERCONDUCTORES 4.1.- Naturaleza, tipos y propiedades Aunque la superconductividad es una propiedad eléctrica, sus mayores aplicaciones han sido en el campo de las fuerzas magnéticas. Un material superconductor es aquel que no opone resistencia al flujo de electricidad cuando se encuentra por debajo de su temperatura crítica (aproximadamente -273 ºC) y no se excede su densidad crítica de corriente ni su campo magnético crítico. La superconductividad desaparecerá si se excede la temperatura crítica o si se aplica un campo magnético crítico o una densidad crítica de corriente.

La respuesta magnética de los superconductores es de dos tipos: 1.- El campo magnético está completamente fuera del cuerpo del superconductor, excepto por una región delgada cerca de la superficie (esto es, diamagnético hasta que se excede el campo crítico). A este efecto se le llama efecto Meissner. Donde excluyen el flujo magnético en su interior haciendo que la inducción magnética sea cero, debido a que la resistividad es igual a cero. El campo eléctrico debe ser cero en un superconductor si está recorrido por una corriente no nula. 2.- El comportamiento es similar cuando los campos aplicados son débiles, pero en campos más fuertes el conductor es penetrado gradualmente. Cuando los campos aplicados son menores que el campo crítico más bajo, el campo queda excluido del espécimen; en campos por encima del campo crítico, el campo aplicado comienza a penetrar cada vez más al espécimen hasta que se alcanza el campo crítico superior y el espécimen presenta un comportamiento normal. 4.2.- Obtención De todos los elementos y compuestos estudiados sólo tres están en etapa de producción que son: las aleaciones de Niobio-Estaño (Nb-Sn), Niobio-Titanio (Nb-Ti) y Niobio-Zirconio (Nb-Zr). Estos compuestos presentan distintas corriente crítica t campo crítico, siendo su ductilidad también diferente. El producto se manufactura en la forma de una lámina compuestos de filamentos múltiples. Estos alambres por lo general contienen cobre para estabilizar y proteger el sistema. Si se pasa del estado de superconducción al estado norma, el cobre puede acarrear la corriente por poco tiempo mientras se logra estabilizar la condición de superconductividad o se apaga el sistema. 4.3.- Aplicaciones Las aplicaciones de los materiales superconductivos están limitadas por dos motivos principales: 1.- La necesidad de enfriar el superconductor. 2.- Su eficiencia que en general, es inadecuada por la corriente alterna. En un campo alternante se presenta histéresis magnética. Esta presencia crea regiones localizadas de sobrecalentamiento que tiende a volver normal al superconductor. Las aplicaciones de los materiales superconductores entran en dos categorías principales, transmisión de energía y magnetos superconductivos. En la actualidad se utilizan varios sistemas interesantes basados en los magnetos superconductivos. Uno de esos es el generador eléctrico superconductivo. Los generadores como estos son similares en concepto a un generador convencional. Los conductores eléctricos en un motor rotatorio crean un campo magnético revolvente que produce una corriente eléctrica en los conductores del cilindro que lo envuelve llamado estator. Un generador superconductivo utilizaría un rotor hilvanado con alambres superconductivos. El rotor estaría rodeado con un estator criogénico. Otra aplicación de los magnetos superconductores es en el desarrollo de motores lineales que se pueden usar para impulsar trenes de alta velocidad. Los sistemas de propulsión

convencionales limitan la rapidez y seguridad de los trenes. Estos problemas se solucionarían con trenes que flotaran en campos magnéticos y se impulsaran con ellos. También se usan magnetos superconductivos para estudiar sistemas de potencia magnetohidrodinámica y termonuclear. En los dos sistemas se contiene en un campo magnético, gases ionizados muy calientes (plasma). Sólo los magnetos superconductivos pueden generar los inmensos campos magnéticos que se necesitan para confinar el plasma y evitar que entre en contacto con las paredes del recipiente. Un uso comercial muy importante de los magnetos superconductivos actualmente son los analizadores de resonancia magnética. Estos dispositivos se usan en el campo de la medicina como una herramienta de diagnóstico. Esencialmente, el campo magnético intenso que genera el superconductor estimula que el núcleo de los átomos emita radiación. Esta radiación se usa para producir la imagen de una sección transversal del cuerpo de un paciente o de sus órganos internos. De hecho, no solo se obtiene la forma y la densidad de un órgano sino que esta técnica es capaz de analizar químicamente el tejido que está revisando. La ventaja obvia de este procedimiento es la detección temprana y los diagnósticos precisos de las enfermedades o anormalidades en el tejido humano. 5.- SEMICONDUCTORES 5.1.- Naturaleza Los semiconductores son materiales que con respecto a la conductividad eléctrica, se hallan entre los materiales aislantes y metales; los límites de su resistencia específica se hallan entre diez elevado a menos siete ohmios por metro en los metales y diez elevado a trece ohmios por metro en los aislantes. Estos proceden del grupo IV (elementos tetravalentes - forman 4 enlaces covalentes -), Silicio (Si) y Germanio (Ge) principalmente, los grupos IIIA / VA (Arsénico (As) y Antimonio (Sb)), como el Arseniuro de Galio y el Antimoniuro de Indio. Compuestos de los grupos II A / VIA (Seleniuros y Telururos). También aleaciones de Bismuto (Bi) y Antimonio (Sb), así como materiales orgánicos (Antralenos) y compuestos iónicos. Tabla períodica donde los elementos semiconductores aparecen en sombreado azul, y los elementos que forman compuestos semiconductores sombreados en amarillo. 5.2.- Tipos Conducción Intrínseca: Un elemento tetravalente (grupo IV), si comparte todos sus electrones es un aislante perfecto y no contribuye a la conductividad eléctrica, esto ocurre a la temperatura del cero absoluto (no hay movimiento térmico). Pero si se somete a temperatura ambiente en la agitación térmica es suficiente para arrancar un electrón apareciendo así un doble efecto: el electrón al moverse contribuye a la conducción y deja una vacante llamada hueco. Este hueco puede ser ocupado por otro electrón. Surge así un portador de carga positiva y otro negativo denominado par electrón-hueco. Si aparecen en el cristal muchos pares de este tipo puede ocurrir que choquen un electrón y un hueco produciéndose una recombinación, en este caso ninguno de los dos toman parte en la conducción. Con el tiempo se establece un equilibrio, es decir, el número de pares engendrados será igual al de recombinaciones, siendo la conductividad constante, es lo que se denomina conductividad intrínseca del material a una temperatura determinada.

Si aumentamos la temperatura, el movimiento térmico aumentará la intensidad originando un mayor número de pares, con lo que se establecerá el equilibrio para una mayor concentración. Este efecto puede producirse tanto por energía térmica como por energía luminosa. El número Z de portadores de cargas libres aumenta aproximadamente de forma exponencial con la temperatura y para una temperatura determinada, depende de la energía necesaria para romper la ligadura, magnitud característica del semiconductor. Conducción Extrínseca: Cuando a una cristal de cualquier elemento (por ejemplo el Silicio (Si)) le introducimos un átomo distinto pero que sea pentavalente (por ejemplo Antimonio (Sb)) sobra un electrón que no es necesario para producir los enlaces en la estructura cristalina. Una pequeña energía será suficiente para soltarlo del átomo introducido y convertirlo en el electrón de conducción. Sólo con la energía correspondiente a la temperatura ordinaria para que los electrones sobrantes del Sb queden sueltos eliminando los propios huecos existentes por la propia continuidad del cristal y quedando al final una conducción eléctrica producida sólo por lo electrones, el Sb queda entonces cargado positivamente y recibe el nombre de “dador”. A esta forma de conducción se le llama de tipo “N” y a la impurificación del cristal con el dador se le denomina dopar el cristal. Cuando se dopa el Si con un átomo trivalente, por ejemplo el Aluminio (Al) el proceso es análogo. Aquí hay un puesto vacante que puede ser ocupado por un electrón con lo que resulta un hueco. Al Átomo introducido (Al) se le llama “aceptor” y al mecanismo de conducción, debido a los huecos se le llama de tipo “P”. De lo dicho anteriormente podemos deducir que el tipo de conducción depende de los portadores de cargas libres que se encuentran y no del cristal, este en conjunto permanecerá neutro. Efecto Hall: Da una confirmación experimental de la conductividad en los semiconductores a la vez que permite medir el tipo de carga de los portadores y su concentración. De su experimento según varios parámetros nos da información sobre el tipo de semiconductor que es. 5.3.- Propiedades. Una propiedad importante en los semiconductores es que posibilita el poder modificar su resistividad de manera controlada entre márgenes muy amplios. La razón primera de este comportamiento diferente reside en su estructura atómica, básicamente en la distancia interatómica de sus átomos en la red así como el tipo de enlace entre ellos. Así el enlace atómico depende del número de electrones de valencia de los átomos formantes del enlace y de la electronegatividad de los mismos. Los electrones de la capa externa o electrones de valencia son los que determinan y forman los enlaces y los que en su momento pueden determinar el carácter conductivo o no de él. En un semiconductor formado por dos elementos químicos diferentes (Arseniuro de Galio) la asimetría conlleva en general una cierta pérdida de carácter covalente puro, en el sentido de desplazar el centro de gravedad de la carga hacia uno u otro átomo. El parámetro que determina este desplazamiento es la electronegatividad de los átomos constituyentes. Cuanto más diferente sea, mayor será el desplazamiento y el enlace será más iónico que covalente.

La estructura cristalina de los semiconductores es en general compleja aunque puede visualizarse mediante superposición de estructuras más sencillas. La estructura más común es la del diamante, común a los semiconductores Si y Ge, y la del Zinc-Blenda que es la del Arseniuro de Galio. En estas redes cristalinas cada átomo se encuentra unido a otros cuatro mediante enlaces covalentes con simetría tetraédrica. Se requiere que posean unas estructuras cristalinas únicas, es decir, que sea monocristal. Dependiendo de cómo se obtengan éste puede presentarse en forma de monocristal, policristal y amorfo. El comportamiento electrico de los materiales semiconductores (resistividad y movilidad) así como su funcionamiento depende de la estructura cristalina del material de base, siendo imprescindible la forma monocristalina cuando se requiere la fabricación de circuitos integrados y dispositivos electroópticos (láser, leds). En lo referente al transporte de carga en semiconductores el fenómeno de las colisiones de los portadores con otros portadores, núcleos, iónes y vibraciones de la red, disminuye la movilidad. Ello guarda relación con el parametro de la resistividad (o conductividad) definido como la facilidad para la conducción eléctrica, depende intrínsecamente del material en cuestión y no de su geometria. Así pues en los fenómenos detransporte en semiconductores y a diferencia de los metales, la conducción se debe a dos tipos de portadores, huecos y electrones. 5.4.- Aplicaciones. Las aplicaciones de los semiconductores se dan en diodos, transistores y termisores principalmente. Diodos: Al unir un semiconductor N con otro P se produce un fenómeno de difusión de cargas en la zona de contacto, que crea una barrera de potencial que impide a los demás electrones de la zona N saturar los restantes huecos positivos de la zona. Si unimos un generador como se indica en la figura los electrones libres de la zona N son repelidos por el polo negativo y los huecos de la zona P por el polo positivo, hacia la región de transición, que atraviesan. La corriente pasa. No ocurriría esto si la conexión se hubiera hecho con la polaridad invertida. El dispositivo es un “diodo semiconductor” y actúa como rectificador de corriente. Transistores: Un transistor está constituida por dos zonas: 1.- Dos N separadas por una P (transistor NPN), esta disposición proporciona al conjunto unas propiedades particulares, en especial amplificadoras. 2.- Dos P separadas por una N (transistor PNP), permiten actuar sobre la intensidad de la corriente electrónica que pasa entre dos cristales semiconductores del mismo tipo, por medio de un electrodo metálico aislado por una delgada capa de óxido. Un transmisor se emplea, sobre todo, como amplificador y también en ordenadores, como interruptor rápido de la corriente.

Termisores: Se llama así a los semiconductores que son sensibles a los cambios de temperatura, o mejor, a aquellos en que las variaciones tienen, frente a la composición, un gran valor. Los materiales más usados son óxidos de Cobalto (CoO), de Hierro (FeO), de Magnesio (MgO), Manganeso (MnO), Níquel (NiO) y Titanio (TiO). Se utilizan en forma de bola, disco o varilla, indicando con esto la forma en que se separa el material base del termisor. En el de bola se aplica la mezcla de óxido en forma viscosa entre dos hilos paralelos de Platino con una pequeña gotita, aproximadamente 1 mm. de diámetro y por y por cocción queda sujeta a los hilos. Cuando se usan en forma de discos o varillas se preparan por sintetizado. Sus aplicaciones son para medir la temperatura, medidas de vacío y en los circuitos de comunicaciones como reguladores de tensión y limitadores de volumen. 6.- CRISTALES LÍQUIDOS. El estado de cristales líquidos intermedio entre sólido y líquido fue advertido por primera vez en 1888. A la fase que explica este estrado se le denomina mesofase. La ordenación parcial de las moléculas en la mesofase determinada puede ser de traslación, de rotación o ambas. Se han observado básicamente dos clases diferentes de mesofase: 1.- Mesofase de cristales desordenados: que guardan una de las tres dimensiones en la red cristalina. 2.- Mesofase fluida ordenada: que no forma ninguna red, pero no obstante muestra un orden de rotación considerable. Hay dos clases de mesofases de cristales líquidos que son los termotrópicos (puede lograrse por calentamiento) y los liotrópicos (pueden lograrse por disolución). Los cristales líquidos termotrópicos son de interés desde el punto de vista de la investigación básica e incluso para su utilización en las manifestaciones electrónicas, sensores de temperatura y presión. Los cristales liotrópicos, por parte, son de gran interés biológicamente y aparecen para jugar un importante papel en nuestro ecosistema. Existen principalmente tres tipos de cristales líquidos termotrópicos que por orden decreciente en la organización atómica son: los esméticos (de estructura en capas) y los colestéricos (líquidos birrefrigerantes), es interesante otro tipo (más conocido) denominado cristal líquido nemático que no es más que un cristal colésterico con infinitos tubos. 6.1.- Propiedades. La gran parte de los descubrimientos actuales acerca del comportamiento de fusión inusual de ciertos componentes orgánicos han mostrado la utilidad tecnológica de las mesofases orgánicas. El gran ímpetu sobre el estudio de la materia ha propuesto una investigación sistemática de la relación entre la estructura molecular y la cristalización líquida. 6.2.- Aplicaciones. Los cristales líquidos se utilizan para visualización de datos en dispositivos electrónicos como display de calculadoras, relojes, aparatos de medición, etc. Que suele realizarse con una

película nemática. Según el procedimiento más clásico, dos láminas de vidrio aprisionan una película delgada (de 10 a 20 m). Al aplicar una tensión eléctrica a través de la película se provoca una intensa turbulencia. Este desorden sobreviene en un líquido birrefrigerante, produce una difusión local de la luz y la zona sometida a tensión se vuelve lechosa y opaca: si cesa la excitación vuelve a su estado transparente. La observación puede realizarse por reflexión si la lámina inferior es reflectante. La legibilidad de este tipo de visualización es adecuada bajo intensa iluminación. También se utilizan en el laboratorio o en la industria (termográfica) cristales líquidos que cambian de color a temperaturas aproximadas a la temperatura ambiente. 7.- BIBLIOGRAFIA Título: “Ciencia de materiales: Teoría, ensayos y tratamientos” (12ª Edición) Autor/es: P. Coca Reboyero y J. Rosique Jiménez Editorial: Editoriales Pirámides, S.A. Título: “Ciencia de materiales para ingenieros” (3ª Edición) Autor/es: James F. Shackelford Editorial: Prentice Hall Hispanoamericana, S.A. Título: “Introducción a los circuitos integrados” Autor/es: E. Calleja, J. M. Herrero, E. Lapeña y E. Muñoz Título: Apuntes Materiales de Construcción (2º OOPP) Autor/es: Francisco Macías Editorial: U.L.P.G.C. Título: Revista Conocer, páginas de la 33 a la 37 Título: Revista Muy Interesante MATERIALES MODERNOS - Página 1 -

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Células fotovoltáicas nanotexturizadas CREADO EL APRIL 19, 2012 POR ADMIN ARCHIVADO BAJO GENERAL, NANOTECNOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE, NANOMATERIALES Y NANODISPOSITIVOS

Por Yolanda Rodríguez García La cantidad de energía que consume la humanidad es tan grande que, ni siquiera cortando todas las plantas del planeta y quemándolas para obtener combustible, lograríamos obtener la mitad de energía que necesitamos en un año. Sin embargo, cada hora es irradiada por el sol casi diez veces más energía de la que consumimos anualmente. Con tan sólo un 5% de esa energía tendríamos suficiente para cubrir las necesidades energéticas del planeta. Por ello, actualmente se están dedicando enormes esfuerzos para tratar de aprovechar al máximo la energía solar. Una de las formas de aprovechar esta energía es mediante paneles fotovoltaicos fabricados a partir de células fotovoltaicas. De las distintas generaciones que existen de células fotovoltaicas, la más implantada en el mercado es la que utiliza como material semiconductor el silicio cristalino. De hecho, ocho de cada diez módulos fotovoltaicos instalados en todo el planeta están fabricados con este material. En la fabricación de las células fotovoltaicas, cada etapa que forma parte de su procesado es esencial para que su funcionamiento sea óptimo y se logre alcanzar una eficiencia cuanto más alta mejor, de modo que se consiga un mayor aprovechamiento de la energía solar. Cuando hablamos de células fotovoltaicas de silicio, una de las etapas más importantes de este proceso es el texturizado. Esta etapa consiste fundamentalmente en un ataque de la superficie de la oblea con varios objetivos. Por una parte se eliminan las impurezas presentes introducidas tras el corte y se minimiza el daño superficial producido por éste. Por otro lado, como la superficie tras el texturizado queda con una pequeña rugosidad (inapreciable a simple vista), se minimiza la reflexión de la luz incidente, absorbiéndose por tanto mayor cantidad de fotones, y aumenta la superficie de contacto o área efectiva de la célula. Con la etapa de texturizado se consigue reducir la resistencia en serie de la célula y aumentar la densidad de corriente de cortocircuito y la tensión de circuito abierto, con lo que, en definitiva, se logra aumentar la eficiencia de la célula final. Actualmente existen diversas técnicas para llevar a cabo la etapa de texturizado. Algunas de ellas se pueden utilizar a nivel industrial y otras, debido a su complejidad, sólo se utilizan en laboratorios. Algunos de estos métodos son: o

Mecánicos: se fricciona la oblea contra una superficie que tiene una forma determinada.

o

En disolución acuosa: estos son los más utilizados a nivel industrial. Pueden ser texturizados alcalinos, los cuales producen un ataque selectivo según sea la orientación cristalográfica de los granos de la oblea (por tanto, se suelen usar para silicio monocristalino) y dan lugar a pequeñas pirámides en la superficie de la misma, y texturizados ácidos, los cuales son isotrópicos (el ataque no depende de la orientación cristalográfica del grano) y que, por lo tanto, es más apropiado para ser utilizado con substratos de silicio poli o multicristalino. Tanto el texturizado alcalino como el ácido consisten en una serie de baños químicos de distintas composiciones que van oxidando y retirando de manera alterna parte de la superficie de la oblea.

o

Mediante el bombardeo de la superficie con plasma.

o

Técnicas fotolitográficas: se utilizan en laboratorios para obtener pirámides invertidas en la superficie de la oblea o granos esféricos que constituyen el llamado texturizado de panel de abeja.

Superficies resultantes tras distintos tipos de texturizado.

La eficiencia conseguida para la mayoría de los dispositivos que se fabrican de manera industrial, es de alrededor del 16%, debido a las características propias del material de partida y a la tecnología de célula utilizada. Eso significa que de la energía solar que les llega, sólo un 16% es transformada en energía eléctrica. En el Centro Nacional de Energías Renovables (CENER), en Pamplona, se está yendo más allá, y se está investigando para poder aplicar la nanotecnología en procesos industriales de fabricación mejorando el grado de eficiencia energética de las células. Desde aproximadamente finales de 2009 trabajan en un proyecto conjunto con la Fundación para la

Investigación y Desarrollo en Nanotecnología (FideNa) llamado "Células fotovoltaicas nanotexturizadas2. Dicho proyecto consiste en realizar estructuras de tamaño nanométrico (por debajo de 300 nm) en la superficie de las células fotovoltaicas. Estas estructuras constituyen un patrón repetitivo de puntos, rayas o columnas de tamaño nanométrico que se graban en la superficie de la célula. Dado que los fotones viajan desde el sol hasta la Tierra en forma de ondas, de lo que se trata es de que las estructuras en la superficie de las células sean de aproximadamente el mismo tamaño que esas longitudes de onda, de manera que, cuando la onda llegue a la superficie, no la vea plana sino rugosa. De esta forma, la reflexión en la superficie de las células se reducirá aproximándose a ser nula, y se mejorará la absorción en el silicio, de modo que se conseguirá un alto nivel de radiación que penetra en la célula, pudiéndose producir una mayor cantidad de energía. Se estima que en cinco años, los módulos fotovoltaicos de los hogares estarán fabricados con células nanotexturizadas. Otras fuentes consultadas: http://www.rtve.es/television/20110527/mundo-abajo-arriba/435079.shtml http://pveducation.org/pvcdrom Comparte o imprime artículo:Estos �Á�conos enlazan con webs de marcadores sociales que permiten a los lectores compartir y descubrir nuevas webs. o o o o o o o o o

Si una capa funciona, ¿por qué no varias? Células fotovoltaicas CREADO EL APRIL 9, 2012 POR ADMIN ARCHIVADO BAJO GENERAL, NANOTECNOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE, NANOMATERIALES Y NANODISPOSITIVOS

Por Francisco Javier Caballero Solana El término fotovoltaico define el proceso físico consistente en transformar la energía luminosa en eléctrica por medio de una transferencia de energía de los fotones de la luz hacia los

electrones del material. Este principio fue descubierto por el físico francés Becquerel y explicado por Einstein en 1905, que lo llamó, el efecto fotoeléctrico, y por el que recibiría el Premio Nobel en 1921. Si el rendimiento de las células fotovoltaicas ha crecido enormemente en la última década, sin embargo, hacia el 20%, se marcó un punto de inflexión en esta progresión, que se ha estancado en torno al 25%. Afortunadamente, los laboratorios de investigación están encontrando algunas pistas y soluciones para impulsar la eficiencia de las células fotovoltaicas a niveles antes inimaginables. La máxima eficiencia de las células fotovoltaicas es simplemente un límite físico: Las células actuales que contiene una sola unión (la zona de contacto entre los dos capas de Silicio), y tienen un límite máximo teórico de 33,5%, denominado "el límite de Shockley-Queisser". Esta limitación es consecuencia de pérdidas energéticas que se producen en el proceso fotoeléctrico: Si el fotón incidente tiene menos energía que el hueco de banda (gap) del material semiconductor, los electrones no podrán pasar a la banda de conducción, con lo cual dichos fotones no podrán ser absorbidos. Por tanto ningun rayo de luz con menos energía que el gap del semiconductor podrá ser aprovechado por la célula solar. Cuando el fotón incidente sobrepasa la energía del gap del semiconductor, este exceso energético se transformará en pérdidas térmicas, ya que el electrón solo puede aprovechar la energía exacta del paso de la banda de valencia a la banda de conducción. Por lo tanto, debemos encontrar tecnologías de ruptura respecto a las células actuales. Existen numerosas investigaciones en curso sobre los paneles y la electrónica. El próximo paso tecnológico será comercializar con éxito la célula multiunión.

Este es un concepto antiguo, patente de Texas Instruments ¡Desde 1955! Pero ahora tenemos a la alcance de la mano la oportunidad de mover esta tecnología a una etapa comercial. La idea es bastante simple: Las células solares multiunión aprovechan mejor el espectro solar por tener múltiples capas de semiconductores con diferente hueco de bandas. Todas las capas son fabricadas con materiales diferentes, semiconductores III-V es lo más utilizado, y cada uno absorbe una porción diferente del espectro. La capa de mayor hueco de banda se colocará en la parte superior de modo que sólo los fotones más energéticos son

absorbidos en esta capa. Los fotones menos energéticos deberán atravesar dicha capa superior, ya que no serán suficientemente energéticos para generar EHP (pares electrónhueco) en el material. Según penetramos en el material, desde la parte externa hacia el interior, habrá un hueco de banda menor que la anterior. Cada capa absorberá así los fotones que tienen energías superiores a los huecos de banda de esa capa y nada del hueco de banda de la capa superior. La forma más común de la célula solar multiunión es la de tres capas, lo que se llama una célula solar triple-unión. Por ejemplo, una composición de semiconductores GaAs, Ge y GaInP2 se utiliza actualmente con fines aeroespaciales. Con la salida de las células multiunión, se cambia verdaderamente de dimensión, ya que el límite teórico es ahora del ¡ 83% ! Por ahora, los mejores laboratorios ya han alcanzado el 43% (Solar Junction, California, EEUU) En un proyecto liderado por investigadores Españoles, junto con la colaboración de la Unión Europea y Japón, se tratará de llegar hasta el 45% de eficiencia. Rafael Kleiman, un investigador canadiense dice estar "seguro de que podemos producir células de vanguardia con un 50% de rendimiento antes de 2020." Comparte o imprime artículo:Estos �Á�conos enlazan con webs de marcadores sociales que permiten a los lectores compartir y descubrir nuevas webs. o o o o o o o o o

Células solares fabricadas con semiconductores orgánicos CREADO EL MARCH 19, 2012 POR ADMIN ARCHIVADO BAJO GENERAL, NANOTECNOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE, NANOMATERIALES Y NANODISPOSITIVOS

En relación al artículo publicado la semana pasada por Sergio Sánchez Force acerca de la mejora de células solares con nanomateriales, en este artículo se ofrece un resumen de las ventajas e inconvenientes del uso de células solares basadas en semiconductores orgánicos. No es la primera vez que en este blog publicamos artículos sobre esta línea de investigación

en nanotecnología. Por ejemplo podéis encontrar otros artículos que analizan diferentes aspectos de estas células solares, y las propiedades de semiconductores orgánicos. Por Santiago de Antonio Gómez Aunque las células solares fabricadas con semiconductores orgánicos (http://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_fotovoltaica_de_pol%C3%ADmeros) son una tecnología aun en desarrollo ya hay grandes expectativas puestas en sus posibilidades. Numerosas empresas están invirtiendo en esta nueva tecnología con el fin de desarrollar y sacar partido a algunas de las características de estas células solares como puede ser su durabilidad y la facilidad en para disponer de los materiales necesarios para su construcción. Este tipo de materiales semiconductores ya se conocía desde hace tiempo pero es en el año 2000 cuando, a raíz de la entrega de un premio Nobel por un trabajo realizado en este campo, se dispara el número de publicaciones relacionadas con el tema. No existe una única tecnología bajo el nombre de fotovoltaica orgánica. Si lo tomamos de forma literal, la expresión describe a las células que utilizan como semiconductores a polímeros orgánicos. Pero bajo este nombre responde también otra tecnología: las células CSSC o DSC.

Detalle de una célula solar fabricada con semiconductores orgánicos A pesar de lo mucho que queda por hacer, sí que hay un número de ventajas de las células solares orgánicas frente a las clásicas de silicio (http://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_fotoel%C3%A9ctrica). Las tecnologías que se acogen a este nombre producen células extremadamente finas, ligeras y flexibles. Por lo tanto, pueden utilizarse en lugares donde no pueden instalarse los módulos rígidos de silicio. Las células orgánicas tienen una ventaja añadida que no de debe ser desestimada cuando hablamos de aplicarlas la industria de la ropa: se pueden colorear; si las ponemos en un bolso verde, las podemos aplicar el mismo tono verde de la tela. Si lo quieres rojo, pues rojo.

El mismo argumento puede utilizarse cuando hablamos de integrarlas en edificios. Incluso podrían utilizarse como cristales de ventana, pues también se pueden dejar transparentes. Otra ventaja añadida frente a la fotovoltaica es que estas células no necesitan la incidencia directa del sol, como en el caso de la fotovoltaica, motivo por el cual se usan los seguidores solares, que encarecen la instalación. Las orgánicas son bastante insensibles al ángulo de llegada de la luz. Otro de los puntos a favor de esta tecnología es la previsión por parte de las empresas que trabajan en su desarrollo de que en poco tiempo, las células solares fabricadas con semiconductores orgánicos, podrán generar electricidad de una forma mucho más eficiente y competitiva que las actuales, fabricadas con silicio (http://www.amazings.com/ciencia/noticias/300810d.html) Por otro lado, sus mayores inconvenientes son las escasas eficiencias obtenidas (http://www.amazings.com/ciencia/noticias/221110c.html), las cuales, actualmente se encuentran entre un 5-6%, aunque puede llegar a un 12% si se usan varias células apiladas y el hecho de que la duración de las células solares actuales fabricadas con silicio es muchísimo mayor que la de las fabricadas con semiconductores inorgánicos. Este hecho puede provocar que no sean tan económicas como se espera que sean. A pesar de sus inconvenientes y ventajas no debemos perder de vista que su mayor potencial se basa en su versatilidad y en su capacidad de disponer de aplicaciones innovadoras, como por ejemplo la ropa, las ventanas o pequeños electrodomésticos lo cual abre un mercado que las células fotovoltaicas actuales no pueden alcanzar (http://erenovable.com/2009/04/17/siguen-trabajando-en-el-desarrollo-de-celulas-solaresorganicas-2/). Comparte o imprime artículo:Estos �Á�conos enlazan con webs de marcadores sociales que permiten a los lectores compartir y descubrir nuevas webs. o o o o o o o o o

Mejora de las células solares convencionales empleando nanomateriales CREADO EL MARCH 12, 2012 POR ADMIN ARCHIVADO BAJO GENERAL, NANOTECNOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE, NANOMATERIALES Y NANODISPOSITIVOS

Por Sergio Sánchez Force Las células solares son dispositivos que convierten la energía solar en electricidad mediante el efecto fotovoltaico de forma directa, o indirectamente haciendo previamente una conversión de energía solar en calor o energía química. Las células más comunes están basadas en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia de potencial entre las capas que conduce una corriente a través de un circuito externo. Las células solares de silicio disponibles en la actualidad tienen una eficiencia de conversión del 18%. (http://www.portalsolar.com/energia-solar-celdas-solares.html ) La evolución de las células solares es la siguiente: o

Las células solares de primera generación se construyen a partir de obleas de silicio semiconductor.

o

Las de segunda generación introducen la tecnología de láminas delgadas, y tienen varios inconvenientes:

o

Las capas semiconductoras se depositan mediante alto vacío, lo que resulta complejo y caro.

o

Se colocan sobre un substrato de vidrio que requiere de procesos para establecer los contactos eléctricos.

o

La tercera generación de células solares está basada también en láminas delgadas, pero no tiene esas dificultades ya que las capas de material semiconductor se depositan directamente sobre un metal. Además, las capas semiconductoras se aplican mediante un chorro de tinta que contiene partículas semiconductoras nanométricas empleando un proceso de impresión rotativa parecido al utilizado para imprimir periódicos y revistas, lo que resulta mucho más barato. Las capas depositadas sobre el metal son de CuInGaSe y CdS que sustituyen a los diferentes tipos de silicio P y N de las células tradicionales. Además, se aplica una capa de ZnO que actúa como un electrodo, siendo el metal el otro electrodo. (http://www.fisica.uh.cu/bibvirtual/vida%20y%20tierra/celdasolar/index.htm)

Los paneles solares convencionales filtran la luz ultravioleta o la absorbe el silicio y la convierte en un calor que no sirve para la electricidad. Pero si se emplean nanopartículas,

estas pueden aprovechar esa luz ultravioleta y convertirla en electricidad, por lo que se aprovecha mucho más la luz solar. Integrando una fina capa de nanopartículas de silicio de un nanómetro de tamaño dentro de las células solares de silicio, se mejora el rendimiento energético en un 60% en el rango del espectro ultravioleta. (http://erenovable.com/2007/08/22/paneles-solares-con-nanoparticulasaprovechan-mucho-mas-de-la-luz-solar/) Se ha descubierto que otra forma de mejorar la conversión de la luz solar, es incorporando nanopartículas de oro en material fotovoltaico orgánico. Se procede colocando una capa de nanopartículas de oro en medio de dos capas absorbentes de luz, lo que incrementa la conversión de la luz solar hasta en un 20%. Las nanopartículas de oro crean un campo electromagnético muy fuerte dentro de las capas fotovoltaicas internas, lo cual concentra la luz mucho más y puede ser mejor absorbida por las capas. (http://www.pruebayerror.net/2011/08/nanoparticulas-de-oro-mejora-la-eficiencia-de-lasceldas-solares-organicas/) Otro tipo de células solares empleadas son las células solares orgánicas, que presentan ventajas como que son más delgadas, flexibles y más fáciles de producir. Estas células pueden mejorar, por ejemplo, algunos electrodomésticos. Se ha desarrollado una técnica para mejorar la eficiencia de estas células solares orgánicas, protegiéndolas con una capa que contiene una mezcla de nanopartículas inorgánicas de seleniuro de cadmio y un polímero orgánico. (http://www.energiasrenovables.ciemat.es/index.php?pid=4000&tipo=noticias&id=3497) También se ha experimentado con unos polímeros semiconductores que incluyen pequeños fragmentos de plata, capaces de absorber la energía solar y generar electricidad de un modo más eficiente y económico que los métodos convencionales. Las nanopartículas de plata permiten que los polímeros capturen una amplia gama de longitudes de onda de la luz solar que de otra manera no se aprovecharían. La adición al polímero de estas nanopartículas aumentaría en un 12% la generación eléctrica. (http://ellaboratoriodedarwin.blogspot.com/2009/10/mejorando-la-eficiencia-de-las-placas.html)

Además de emplear las nanopartículas para mejorar la eficiencia de las células solares, también se está desarrollando una técnica de bajo coste para fabricar células solares con nanocables, que podría reducir los costes de producción de las células manteniendo sus niveles de eficiencia. Para la fabricación de células solares de nanocables se emplean semiconductores de sulfuro de cadmio para el núcleo y sulfuro de cobre para la estructura. Estas células son baratas y fáciles de fabricar, y tienen una eficiencia de conversión energética del 5,4%, comparable a la de las células solares planas.

Este bajo rendimiento puede ser debido a la recombinación superficial y al poco control sobre la calidad de las uniones p-n en procesos a alta temperatura. Para solucionar esto, se reemplazan las uniones p-n de las células solares convencionales por una unión p-n radial, en la que una capa de silicio de tipo n forma una capa alrededor de un núcleo de nanocables de silicio tipo p. Esto hace que cada uno de los nanocables actúe como una célula fotovoltaica y mejora la eficiencia de captura de luz de las células de silicio. Más tarde, para la fabricación de nanocables se emplea sulfuro de cadmio y sulfuro de cobre, pero utilizando una solución química. Estos se prepararon con una reacción de intercambio

catiónico en solución, que consiste en sumergir los nanocables de sulfuro de cadmio en una solución de cloruro de cobre produciéndose el intercambio catiónico que convierte la capa superficial de sulfuro de cadmio en un caparazón de sulfuro de cobre. Se piensa que se podría mejorar la eficiencia de conversión energética de los nanocables de las células solares aumentando la cantidad de material de la capa de sulfuro de cobre. Para que sea viable se necesita alcanzar una eficiencia de conversión de energía de por lo menos un 10%. (http://www.renewableenergymagazine.com/energias/renovables/index/pag/fotovoltaica/colleft/ /colright/fotovoltaica/tip/articulo/pagid/17380/botid/21/) Un método revolucionario que se ha desarrollado recientemente, es una “pintura solar” capaz de transformar las casas en generadores de electricidad. Esta pintura aún tiene que evolucionar para alcanzar la eficiencia de conversión de las células convencionales, pero es más barata de producir y se puede fabricar en grandes cantidades. Esta "pintura solar" es el resultado de una investigación con nanopartículas de dióxido de titanio recubiertas con seleniuro de cadmio. Las partículas se mezclan con una base de agua-alcohol para crear una pasta amarilla, mientras que la mezcla de seleniuro de cadmio produce un color marrón oscuro. La mezcla de ambas pastas produce una pasta marrón que se acerca a un material conductor transparente, y al ser expuesta al sol crea electricidad. (http://www.gruponeva.es/blog/noticia/7318/pintura-solar-transformaria-las-casas-engeneradores-gigantes-de-electricidad.html) Comparte o imprime artículo:Estos �Á�conos enlazan con webs de marcadores sociales que permiten a los lectores compartir y descubrir nuevas webs. o o o o o o o o o

Nuevos materiales fotovoltáicos avanzados CREADO EL NOVEMBER 4, 2011 POR ADMIN ARCHIVADO BAJO GENERAL, NANOTECNOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE, NANOMATERIALES Y NANODISPOSITIVOS

Por Vanesa Carcelen

La célula solar Graetzel, también conocida como célula solar sensibilizada por colorante o dye-sensitized solar cells (DSC), es un tipo de célula solar que produce electricidad mediante un principio foto-electro-químico, transformando la energía luminosa en energía eléctrica. Fue desarrollada en 1991 por el químico Michael Grätzel (EPFL, Lausana, Suiza) quien, estudiando el proceso por el cual las plantas obtienen energía de la luz del sol a través de la clorofila, diseñó un sistema capaz de generar energía eléctrica de la luz solar mediante el uso de un colorante. Se trata de un claro ejemplo de aplicación de la biónica, es decir de la "aplicación del estudio de los fenómenos biológicos a la técnica de los sistemas electrónicos". Esta célula solar puede ser construida con materiales de bajo costo y con un proceso de fabricación extremadamente simple. Presenta muchas ventajas frente a las de silicio; trabajan con poca intensidad luminosa, son más baratas de fabricar y además dan un mayor rendimiento. La célula fue patentada en 1992 y ahora se produce comercialmente en una instalación piloto.

Imagen tomada de wikipedia

Las DSC están calificadas dentro de las células fotovoltaicas de tercera generación, y poseen varias ventajas potenciales para generar electricidad a escala moderada, sobre todo en áreas en desarrollo. No tienen limitaciones de materia prima, al basarse en materiales de bajo coste como el dióxido de titanio o de óxido de zinc. El dióxido de titanio es un fotocatalizador muy eficaz, utilizado de forma habitual como absorbente de rayos ultravioleta, y presente en productos para el bronceado, jabones, polvos cosméticos, cremas, pasta de dientes, papel de cigarro y en la industria cosmética. El óxido de zinc es también muy usado en la industria, odontología y en diversas aplicaciones cosméticas. En cuanto a los colorantes pueden ser sintéticos de bajo costo, como la eosina o el mercurocromo, o naturales como los extraídos de plantas (clorofilas, antocianinas de granadas, carotenos, etcétera). Otra posibilidad interesante de las DSC es la de permitir la construcción de paneles flexibles, portátiles, coloreados, multiformas, semitransparentes y decorativas. Por ahora, se han comercializado algunas, aunque su uso práctico es aún pequeño. Pero prima el optimismo: la

compañía Konarka de California ha sido basada en el concepto pionero de las DSC; la empresa G24i, de Gales ha anunciado la producción de 30 MKW de electricidad mediante DSC. Según proyecciones del sector las DSC podrían suponer al menos un tercio del mercado de 250,000 millones de dólares en el año 2030. Entre sus ventajas no es la menor el de que el costo de su amortización equivale a un solo año de uso. La estructura de la celda consiste de dos electrodos planos (electrodo compuesto y simple) y un tinte que genera electrones al contacto con la luz. El electrodo simple es básicamente un vidrio eléctricamente conductor. El electrodo compuesto está construido de nanocristales de dióxido de titanio (nc-TiO2) depositado en vidrio conductor. El valor típico de la distancia entre los electrones es de 20 - 40 µm. Ambos electrodos constan de una superficie interna eléctricamente conductora (ej. FTO es decir, óxido de estaño dopado con fluor o F:SnO2), cuyo espesor típico es de 0,5 µm. La luz solar pasa a través del electrodo simple, y el tinte impregnado en el electrodo compuesto absorbe la luz. Cuando una molécula del tinte absorbe la luz, un electrón pasa a tener un estado excitado y puede saltar desde el tinte a la banda de conducción del TiO2. En el electrodo compuesto, el electrón se difunde desde el TiO2 hacia el vidrio conductor. Desde allí, el electrón es llevado mediante un cable conductor hacia el electrodo simple. Después de haber perdido un electrón la molécula del tinte se encuentra oxidada, es decir, tiene un electrón menos que antes. La molécula del tinte recupera su estado inicial cuando el electrón es reinyectado a través del electrodo simple. De esta manera el proceso se transforma en un ciclo que genera una corriente eléctrica. El semiconductor se fabrica en forma nanocristalina, es decir, como una red de partículas interconectadas de un tamaño minúsculo, típicamente menos de 100 nm (1 nm =10-9 m); esto crea una superficie interna enorme sobre la cual se pueden adsorber hasta 2,000 veces más moléculas del colorante que en una superficie plana. A la izquierda se muestra una representación esquemática de la matriz semiconductora nanoporosa interpenetrada por el electrolito, el colorante adsorbido en la superficie de los nanocristales de TiO2, y la trayectoria de un electrón fotoinyectado hacia el substrato colector, en una célula sensitivizada con colorante. A continuación veremos un esquema del funcionamiento de la celda solar de Grätzel: la luz solar incidente eleva un electrón del colorante a un estado superior ("excitación") desde el cual es inyectado a la banda de conducción ("inyección") del semiconductor. De ahí llega hasta el contacto de la celda y puede realizar trabajo en un consumidor externo. El colorante se recupera en su estado neutro a través de la interacción con una solución electrolítica ("regeneración").

REACCIONES QUÍMICAS: Aquí S representa una molécula de colorante, S* la misma molécula en estado excitado, e I la matriz nanoporosa. (I) S + luz (energía solar) → S* (II) S* + TiO2 → TiO2 + e-(al electrodo) + S+ (III) S+ + I → S + I+ (IV) I+ + e-(del eléctrodo) → I

Referencias y enlaces de interés: http://servicios.laverdad.es/cienciaysalud/4_2_35.html http://energiasolarok.blogspot.com/2009/07/celulas-de-gratzel-en-edificios.html http://www.finland.org.au/Public/default.aspx?contentid=194258&nodeid=35603&culture=esES http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Dye-sensitized_solar_cells http://www.sciencedirect.com/ artículos de M.Grätzel Comparte o imprime artículo:Estos �Á�conos enlazan con webs de marcadores sociales que permiten a los lectores compartir y descubrir nuevas webs. o o o o o o o

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Nanotecnología en la alimentación CREADO EL OCTOBER 30, 2011 POR ADMIN ARCHIVADO BAJO GENERAL, NANOTECNOLOGÍA Y SALUD, NANOTECNOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE

Por Ángela García Una alimentación inteligente es aquella que se adapta al gusto del consumidor. La nanotecnología en la alimentación, va a permitir que disfrutemos de alimentos más saludables, más resistentes y de mayor durabilidad. Sin embargo, todo lo que es nuevo es observado con cierto escepticismo y existen razones para ello, durante estos últimos meses la Comisión Europea ha estado estudiando junto a los científicos la posibilidad de regular todas aquellas aplicaciones nanotecnológicas relacionadas con la alimentación. Es difícil identificar los nanoalimentos existentes. Los fabricantes han comprendido que la incertidumbre que hay en torno a estas tecnologías puede asustar a los consumidores. No comunican con claridad acerca de su uso. De acuerdo con las informaciones recibidos de la ONG “Amigos de la Tierra”, toda la cadena alimentaria está actualmente contaminada. En un informe titulado “Del laboratorio a nuestra mesa: nanotecnología en la alimentación y la agricultura”, lista 106 productos alimenticios, como jugos de frutas enriquecidos, o suplementos vitamínicos, o un nano-té. Distintas organizaciones que velan por los intereses de los consumidores quieren que este campo se regule y se aumente la prudencia con respecto a los materiales nanotecnológicos, se plantea la necesidad de conocer cómo pueden afectar estas nuevas aplicaciones a nuestro organismo y al medio ambiente El muy difícil controlar el comportamiento de las nanopartículas. No cumplen las leyes de la física clásica, sino las de la mecánica cuántica. Construir partículas, átomo a átomo, manipular la materia a nivel molecular, es penetrar en un mundo de total incertidumbre. Las propiedades de las partículas, como su toxicidad o su persistencia biológica, varían mucho con el tamaño. Los conocimientos actuales sobre los efectos tóxicos de las nanopartículas son muy limitados. En cuanto a su producción y comercialización, los fabricantes se atienen a la directiva europea REACH. Algo insuficiente. Sólo son enviados los productos químicos que se producen en cantidad superiores a una tonelada al año. Dado el tamaño de las nanopartículas, semejante

peso no se produce siempre. Tampoco existe un requisito de etiquetado, y sólo ahora el Parlamento Europea empieza a abordar esta cuestión. La ética y la prudencia serán aspectos dominantes en el código, siempre se deberá velar por el medio ambiente y por la salud humana. Por el momento, es el único planteamiento viable dado que no se puede regular algo que todavía no ha generado ningún problema o riesgo, regular algo desconocido sería como vetar la investigación y por tanto, las mejoras que se pueden lograr. La nanotecnología aplicada a la alimentación proporcionará enormes beneficios a la industria y al consumidor, por fortuna la mayoría de las investigaciones en este campo dentro del sector alimentario están orientadas a mejorar la salud de los alimentos, pero no olvidemos que los transgénicos también se desarrollaron inicialmente para mejorar la calidad de los productos y la alimentación humana, algo que en algunos casos ha sido un fiasco. Por el momento, las empresas alimentarias no dan a conocer sus investigaciones o invitan a otros investigadores a contrastar resultados, los trabajos y estudios se desarrollan en secreto y existen desconocimiento sobre el riesgo real que pueden provocar los nanomateriales. Como sabemos, la nanotecnología alimentaria manipula todo tipo de sustancias con tamaños inferiores a una micra y con las que se pretende potenciar cualidades organolépticas, saludables, etc. Ya hace algunos años que se habla de los alimentos nanotecnológicos o nanoalimentos, éstos se han ido introduciendo en el mercado y las etiquetas de los productos alimentarios no especifican su presencia, información que los consumidores deberíamos conocer. Para que los nanoalimentos puedan ser valorados y aceptados, es imperiosa una política de transparencia total en la que se impliquen todas las agencias de seguridad alimentaria, sería necesario crear un registro público online en el que se dieran a conocer todos los alimentos que se han desarrollado utilizando la nanotecnología. Además debería aplicarse la legislación correspondiente que exigiera la inclusión en las etiquetas de los productos, de la información sobre los nanomateriales empleados. Por otro lado las empresas deben poner a disposición de las comisiones pertinentes la información detallada sobre cómo funcionan este tipo de materiales y cómo interactúan con el organismo. http://www.directoalpaladar.com/otros/nanotecnologia-agroalimentaria-para-mejorar-losproductos-y-la-alimentacion

El olor y el sabor de los alimentos ecológicos son mucho más significativos y valorables que los que pueden ofrecer los alimentos obtenidos a través de la producción industrial,

esto es algo que los consumidores de productos ecológicos saben. Estas cualidades han sido constatadas por la Unión Española de Catadores en el marco de un estudio presentado por FEPECO (Federación Española de Empresas con Productos Ecológicos) y el MARM (Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino), en el que se pretendía realizar la primera valoración organoléptica y sensorial de alimentos ecológicos en España. http://juanca22-nanotec.blogspot.com/2010/09/fuente-reuters-lunes-septiembre-20-2010.html http://www.gastronomiaycia.com/2010/01/11/alimentos-desarrollados-con-nanotecnologiademasiados-secretos/ http://www.sertox.com.ar/modules.php?name=News&file=article&sid=2639 Comparte o imprime artículo:Estos �Á�conos enlazan con webs de marcadores sociales que permiten a los lectores compartir y descubrir nuevas webs. o o o o o o o o o

Té verde y nanotecnología CREADO EL OCTOBER 25, 2011 POR ADMIN ARCHIVADO BAJO GENERAL, NANOTECNOLOGÍA Y SALUD, NANOTECNOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE

Por Ángela García La aplicación de la nanotecnología al té verde permitirá ofrecer sus beneficios en cualquier tipo de bebidas. El Alzheimer, ciertos cánceres, la salud cardiovascular y el control de peso podrán ser tratados con nuevos productos alimenticios.

“¿Es posible contar con las propiedades del té verde sin que se degrade en el tiempo ni enturbie las bebidas? Sí. Gracias a técnicas que permiten encapsular el compuesto epigalocatequin galato (EGCG) del té verde en proteínas de suero de leche” Esta proteína modificada termalmente puede nanoencapsular el EGCG y producir partículas más pequeñas de 50 nanómetros que tendrían una mayor transparencia y que podrían añadirse a las bebidas claras. Esta nanotecnología será de especial utilidad en aquellas bebidas claras en las que el tamaño de las partículas sirve para proteger el EGCG sin causar turbiedad y manteniendo las propiedades sensoriales del producto. El té verde contiene entre 30% y 40% de polifenoles extraíbles del agua que se encuentran en su mayoría en las hojas de té. El principal obstáculo del potencial uso de extractos purificados de EGCG para el tratamiento del cáncer es la baja biodisponibilidad que presenta como consecuencia de su pobre absorción intestinal y su elevada metabolización. Sólo 0.1-1.1% de la dosis administrada llega a sangre, concentración insuficiente para que pueda ejercer acción anticancerígena. Una de las estrategias para incrementar la biodisponibilidad del EGCG es su encapsulación en nanopartículas utilizando polímeros biodegradables y biocompatibles. Mediante el uso de la nanotecnología se consigue no sólo aumentar la absorción intestinal sino también hacer más eficiente su distribución puesto que la liberación mediada por las nanopartículas se puede realizar de forma específica y selectiva sobre las células cancerígenas y como consecuencia se requiere menor concentración eficaz. Por lo tanto nanopartículas de EGCG extraído del té verde pueden constituir una importante arma para conseguir pasar de los resultados anticancerígenos in vitro a los resultados in vivo, ya sea en animal de experimentación en primer lugar y en humanos a continuación. Según los responsables de la investigación, la combinación con la nanotecnología ha demostrado ser más eficaz que el calor ya que, con una concentración menor de

conservantes, la inhibición de patógenos es mayor y durante un periodo de tiempo más largo. La encapsulación de los extractos naturales, por tanto, es más efectiva en la reducción de patógenos en los alimentos procesados como la carne. Además de demostrar que los extractos de uva son eficaces en la lucha contra los patógenos y la oxidación de este alimento, también se ha comprobado su poder para mantener el color rojo. Una de las razones es la capacidad de este componente natural para resaltar sus efectos antioxidantes y su aporte de pigmentos. http://www.consumer.es/seguridad-alimentaria/ciencia-y-tecnologia/2011/02/02/198658.php http://www.clubdarwin.net/seccion/importacion/bebidas-transparentes-y-milagrosas http://www.revistareduca.es/index.php/reduca/article/viewFile/286/305 http://es.globedia.com/sistema-filtrar-agua-nanotecnologia Comparte o imprime artículo:Estos �Á�conos enlazan con webs de marcadores sociales que permiten a los lectores compartir y descubrir nuevas webs. o o o o o o o o o

Uso de matrices nanoestructuradas de TiO2 en células solares CREADO EL JUNE 3, 2011 POR ADMIN ARCHIVADO BAJO GENERAL, NANOTECNOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE, NANOMATERIALES Y NANODISPOSITIVOS

Por Alberto Orozco Caballero Prácticamente hasta la actualidad, los dispositivos de estado sólido de unión p-n de silicio, que se beneficiaban de la disponibilidad de la experiencia y de los materiales de la industria de semiconductores, han monopolizado el campo de las células fotovoltaicas. Sin embargo, hay un creciente interés sobre las posibles ventajas de los dispositivos basados en semiconductores inorgánicos u orgánicos de tamaño meso y nanométricos. El prototipo de esta nueva familia fotovoltaica es la célula solar sensibilizada con colorante (dye solar cell, DSC) fabricada en 1988 en el laboratorio del profesor Michael Grätzel (http://isic2.epfl.ch/page58671-en.html ) en EPFL, Suiza. Este dispositivo logra la separación de la absorción óptica y los procesos de la separación de carga por la asociación de un

sensibilizador como material absorbedor de luz a un semiconductor con un gap ancho de morfología nanocristalina (http://www.solaronix.com/technology/dyesolarcells/). Estas nuevas estrategias se desvinculan completamente de las células solares clásicas de uniones planas de semiconductores inorgánicos, básicamente silicio, para explorar nuevos conceptos de dispositivos fotovoltaicos basados en uniones formadas por redes impregnadas con materiales tanto orgánicos como inorgánicos. Esta morfología, de tan pequeño tamaño genera una interfase interna de área enorme que proporciona sistemas con propiedades fotovoltaicas únicas. Pueden fabricarse empleando substratos flexibles y son compatibles con una gran variedad de aspectos y aplicaciones que facilitarán su entrada en el mercado, tanto para dispositivos domésticos como en aplicaciones decorativas o arquitectónicas. En el campo de las DSC se han realizado grandes progresos desde su descubrimiento, anunciado en la literatura científica en 1991. Las eficacias de la conversión alcanzadas, alrededor de 11%, no son excesivamente elevadas, pero su bajo costo de fabricación y la excelente estabilidad propia del TiO2, convierten este dispositivo en una alternativa muy consistente frente a los dispositivos convencionales de unión p-n de silicio. La configuración estándar de DSC, Figura 1, se compone con una estructura de nanopartículas de TiO2 anatasa, de unos 10 nm de radio. Las nanopartículas se depositan sobre un substrato conductor (que consiste en una fina capa de óxido muy conductor transparente en soporte de vidrio ordinario) y se tratan térmicamente para lograr un buen contacto eléctrico. La matriz de TiO2 se sensibiliza al espectro visible con una monocapa de moléculas de colorante, y se llena de un electrolito redox.

Figura 1. Esquema de una DSC En la actualidad las DSC están basadas en films o capas de nanopartículas de óxidos semiconductores dispersas al azar sin presentar una ordenación determinada de largo alcance. Estas nanopartículas presentan una elevada superficie específica que es capaz de absorber luz a través del sensibilizador adsorbido sobre ellas, el cual inyecta eficazmente los electrones fotogenerados en el electrodo iluminado. Una configuración tridimensional basada en nanocolumnas, nanotubos o nanocintas ofrece un transporte electrónico superior que el

que se produce a través de la red desordenada de nanopartículas empleadas en la actualidad (http://lnes.iqm.unicamp.br/artigoIsmael.pdf). Por lo tanto la formación de nanoestructuras altamente ordenadas puede dar lugar a un diseño a medida de la célula solar con características superiores. Para ilustrar la importancia de las DSC y su aplicabilidad inmediata, se puede comentar la reciente fundación de la compañía Konarka (http://www.konarka.com/), en California, cuya principal orientación comercial es la fabricación DSC, tanto con matrices de nanopartículas como de nanotubos, y asimismo la producción anunciada de 30.000 KW por DSC por la compañía G24i (http://www.g24i.com/). Así, las células solares DSC se están revelando como competidores viables para los futuros sistemas de gran escala de conversión de energía solar, sobre la base de su coste, eficiencia, estabilidad y disponibilidad, además de su compatibilidad con el medio ambiente. Según las proyecciones, se pueden capturar al menos un tercio de un mercado de 250,000 millones de dólares en el año 2030. (http://www.consoliderhope.uji.es/celulaGraztel.php). Comparte o imprime artículo:Estos �Á�conos enlazan con webs de marcadores sociales que permiten a los lectores compartir y descubrir nuevas webs. o o o o o o o o o

De espejos a nanotubos solares CREADO EL APRIL 11, 2011 POR ADMIN ARCHIVADO BAJO GENERAL, NANOTECNOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE, NANOMATERIALES Y NANODISPOSITIVOS

Por Alen Rida La energía solar, que está ahora tan de moda, se lleva usando desde el principio de los tiempos. Ya los antiguos eran conscientes del poder del Sol, ya que sin él no se daría la vida tal y como la conocemos, por lo que su estudio ya fuera con rudimentarios calendarios, instrumentos para determinar el año solar o en algunas culturas tomándolo como un Dios, pueden ser consideradas como el comienzo de esta ciencia. Algunas leyendas afirman que la primera aplicación directa del Sol fue con Arquímedes (212 a.C.), con un sistema de lentes y espejos solares, para quemar una flota Romana. Dando un salto en el tiempo ya en el siglo XVIII se tiene constancia de convencionales hornos solares y por esa misma época tenemos el primer colector solar plano, que fue fabricado por el suizo Nicholas de Saussure, compuesto

por una cubierta de vidrio y una placa metálica negra encerrada en una caja con su correspondiente aislamiento térmico. Este colector solar se utilizó para cocinar alimentos que se introducían en su interior. A partir de esa fecha fueron apareciendo nuevos aparatos y numerosas experimentaciones hasta llegar a 1953, Bell Laboratories, (conocidos hoy en día como AT&T) desarrolló la primera célula solar de silicio capaz de generar una corriente eléctrica medible. Tres años después, las células solares costaban 300 dólares por watt, pero no fue hasta pasados 20 años cuando a tenor de una crisis petrolera en oriente medio el gobierno de EEUU invierte fuertemente en dicho descubrimiento. En la actualidad esta fuente de energía representa en nuestro país en torno a un 2% de la energía consumida y sigue en aumento debido a la necesidad de buscar sustitutos a los combustibles fósiles, como el petróleo (tiempo de vida 40 años) que supone casi el 50% del consumo. El problema de este tipo de energía es su bajo rendimiento, inferior en muchos casos al 30% en fotovoltaica y llegando al 70% en fototérmica (el problema aquí es convertir ese calor en electricidad), dado que la energía incidente es, en el mejor de los casos, de 1000W/m2 (sólo durante las horas de Sol, en los picos y con cielo despejado) haciendo un cálculo estimativo para alcanzar la energía producida por una central nuclear (1000MW) necesitaríamos una superficie de más de 10.000Km2. La mayor parte de los avances del ser humano en los últimos años vienen provocados por la reducción del tamaño de los objetos, de ahí aparece la microtecnología en chips por ejemplo y llegamos a la reducción de elementos a escalas nanométricas (10-9m) con la llamada nanotecnología. Evidentemente la energía solar no queda al margen de este estudio y hay varios estudios al respecto. Las nanoestructuras pueden presentar el futuro para la próxima generación de paneles solares. Investigadores de la Universidad de Harvard con el profesor Charles M. Lieber a la cabeza, usando diodos p-i-n (con silicio intrínseco sin dopar entre los materiales p y n) y reduciéndolos a nanoescala crearon un nanocable coaxial en capas de silicio que puede absorber directamente la luz y convertirla en electricidad, así como dar energía a un dispositivo nanoelectrónico. Primero, crearon un núcleo de silicio dopado con B2H6 como material de tipo p. Entonces añadieron silicio puro como capa intrínseca (que actúa de resistencia), seguido de una tercera capa de silicio con el dopante n, PH3. Finalmente, cubrieron el cable con SiO2 como máscara protectora. La luz genera electrones y huecos en la región intrínseca; los huecos y los electrones se separan entonces en las capas p y n. Aunque el núcleo de tipo p es un monocristal, las otras capas son todas nanocristalinas. Las estructuras nanocristalinas parecen ser la clave para la absorción de cinco a diez veces más luz que un cable compuesto por materiales de cristal único, dice Lieber.

Aunque los nanocables coaxiales no mostraron un gran aumento en la eficiencia comparado con los dispositivos nanométricos anteriores (entre el 2,3 al 3,4%), ni por supuesto comparado al rendimiento de una célula solar convencional, sí mostraron una mayor estabilidad, especialmente bajo luz intensa de hasta 8000 W/m2 (8 soles). Sin embargo los dispositivos de nanocable coaxial sí producen densidades de corriente comparables a las de las células solares comerciales de silicio. Por otro lado, es sabido, que las actuales células solares pierden gran parte de la energía de la luz por culpa del calor. Un equipo investigador de la Universidad Cornell dirigido por el profesor Paul McEuen ha creado una célula fotovoltaica a partir de un único nanotubo de carbono capaz de sacar mayor partido a la energía contenida en la luz que los dispositivos fotovoltaicos convencionales. Los diminutos tubos de carbono puede que se utilicen en el futuro para fabricar una nueva generación de células solares más eficientes. Colocaron un único nanotubo en un circuito con tres contactos eléctricos, uno a cada extremo, llamados “fuente” y “drenador”, y otro por debajo llamado “puerta”. Esta puerta en realidad estaba dividida en dos segmentos independientes, de forma que aplicando voltajes de signo contrario a cada segmento de la puerta podía controlarse el número de portadores en los extremos del nanotubo y obtener así una unión p-n. Tras aplicar un voltaje al nanotubo entre fuente y drenador, lo iluminaron con luz. Cuando un fotón alcanza al nanotubo, transfiere parte de su energía a un electrón, que después fluye a lo largo del circuito y sale del nanotubo. Este proceso de un fotón y un electrón es lo que normalmente ocurre en las células solares. Lo que es poco usual acerca de la célula de nanotubo, es lo que ocurre cuando colocas un fotón cuya energía es dos veces la energía requerida para expulsar a un electrón de la célula. En las células convencionales, esta es la energía que se pierde en forma de calor. En el dispositivo con el nanotubo, lo que hace es empujar a otro electrón al circuito. El propio McEuen afirma que se ha construido la célula solar más pequeña pero que actualmente no se está en disposición de poder crear grandes series de estos diodos (necesario para el aprovechamiento cotidiano de estos dispositivos supereficientes). Por otro lado también indica que es posible que esta eficiencia no sea única de los nanotubos y se puedan encontrar otros materiales con características similares, pero más manejables. Quizá todavía estemos lejos (o quizá no tanto) de mejorar la tecnología de la energía solar con nanotecnología, pero lo cierto es que se están dando pasos adelante.

Artículos para consulta B. Tian, X. Zheng, T.J. Kempa, Y. Fang, N. Yu, G. Yu, J. Huang and C.M. Lieber, “Coaxial silicon nanowires as solar cells and nanoelectronic power sources” Nature 449, 885-890 (2007).

Nathan M. Gabor, Zhaohui Zhong, Ken Bosnick, Jiwoong Park, and Paul L. McEuen, “Extremely Efficient Multiple Electron-Hole Pair Generation in Carbon Nanotube Photodiodes” Science 325 (5946), 1367, (2009)

http://www.icma.unizar-csic.es/WebICMA/levitacionConSuperconductores.do

Divulgación | Temas | Superconductividad Superconductividad Un poco de historia...

Autorretrato de Kamerlingh Onnes. AIP Emilio Segre Visual Archives

H. Kamerlingh Onnes, tras licuar helio por primera vez en 1908, dedicó su laboratorio de la Universidad de Leiden (Holanda) a la medida de las propiedades de la materia desde -271 °C a -259 °C. La medida de la resistencia eléctrica era una de las propiedades que más le interesaban y en 1911 observó que la del mercurio desaparecía por debajo de una cierta temperatura crítica. Al poco tiempo tras verificar el fenómeno en Pb y Tl fue consciente de que se trataba de un nuevo comportamiento de la materia que aparecía a bajas temperaturas, acababa de descubrir la superconductividad. Por su labor en la investigación a bajas temperaturas obtuvo el Premio Nobel de Física de 1913.

En 1957, J. Bardeen, L. Cooper y R. Schrieffer enunciaron su teoría, conocida como BSC, que por primera vez explicó casi todas las propiedades de los materiales superconductores y mereció el Premio Nobel de Física 1972. La teoría BCS postula que, en el estado superconductor, hay una interacción atractiva entre electrones a través de las deformaciones de la red metálica que los acoplan formando parejas (pares de Cooper). Estas parejas son capaces de transportar corriente sin que aparezca resistencia eléctrica.

En 1986, J.C. Bednorz y K.A. Müller, en los laboratorios IBM de Suiza, descubrieron superconductividad en materiales cerámicos y a temperaturas superiores al límite. Este resultado les valió el Premio Nobel de Física 1987 e inició una revolución en el campo ya que rápidamente se encontraron materiales capaces de trabajar a temperaturas superiores a la de ebullición del nitrógeno líquido (-196 °C), que permite enfriarlos con mucha más facilidad y economía. Estas familias de materiales, que reciben el nombre de superconductores de alta temperatura, SAT, han logrado incrementar el interés tecnológico para desarrollar nuevas aplicaciones. Pero...¿qué es la superconductividad? RESISTENCIA CERO Al circular una corriente eléctrica por un hilo conductor se calienta, como demuestra el cambio de color en las resistencias de las estufas o de los filamentos de las bombillas. Este fenómeno llamado efecto Joule, se debe a la resistencia eléctrica y se produce porque los electrones cuando se mueven chocan con los átomos del material. En un superconductor, los electrones forman pares de Cooper que, se desplazan a través del material, sincronizándose entre sí y con las oscilaciones de los átomos, lo que les permite transportar la corriente eléctrica sin que aparezca resistencia. EFECTO MEISSNER Un superconductor no solo es capaz de transportar corrientes eléctricas sin resistencia, sino que también puede apantallar campos magnéticos, fenómeno que se conoce como efecto Meissner. Todos los superconductores pueden apantallar completamente el campo magnético, hasta un cierto valor llamado campo crítico (BC). Algunos pasan al estado normal con valores muy bajos del campo, son los superconductores tipo I. En otros, llamados del tipo II, el campo magnético, a partir de un cierto campo crítico inferior (BC1), penetra en su interior a través de delgados tubos en estado normal que contienen un flujo magnético cuantificado mientras que el resto sigue siendo superconductor y se

mantiene como tal hasta alcanzar un campo crítico superior (BC2), que puede ser millones de veces superior al campo magnético terrestre.

Aplicaciones de los superconductores Los materiales superconductores se encuentran en la base de muchas aplicaciones de nuestra sociedad. Entre ellas podemos citar: Generar y conducir corrientes eléctricas con pérdidas de energía muy bajas Los cables superconductores pueden transportar corriente continua sin pérdidas. Trabajando con corriente alterna siempre hay pérdidas de energía pero son órdenes de magnitud más bajas que en el caso de los conductores convencionales de cobre o aluminio.

Cable superconductor fabricado por Sumitomo. Cortesía de SuperPower, Inc.

En diferentes lugares se han empezado a instalar cables superconductores en la red eléctrica. Con ellos es posible transportar la misma potencia con menores secciones y costes energéticos lo que beneficia al medio-ambiente. Con cables superconductores se están diseñando motores, generadores y transformadores que son mucho más pequeños y ligeros. Ello ha abierto, por ejemplo, la posibilidad de diseñar motores de propulsión para barcos o su uso en aerogeneradores.

Conexiones de un cable superconductor instalado en Long Island. Cortesía de American Superconductors

La producción de grandes campos magnéticos El hecho de que por hilos superconductores de menos de 1 mm de diámetro puedan circular cientos de Amperios sin pérdidas, los hace ideales para construir y operar bobinas para generar campos magnéticos muy intensos (superiores a 2 Teslas). Esta característica es la que permite su utilización en los equipos de resonancia magnética nuclear instalados en los hospitales o los granes imanes empleados en aceleradores de partículas como el LHC del CERN.

Anillo del Large Hadron Collider del CERN. Cortesía del CERN

Resonancia de la cabeza de una persona

Sistema de resonancia magnética nuclear fabricado por Philips

Nuevos sistemas de transporte Los altos campos magnéticos que se pueden generar con superconductores han permitido construir trenes que levitan y que alcanzan velocidades de hasta 580 km/h puesto que desaparece el rozamiento con la vía. Se ha previsto que la primera línea comercial entre en servicio en 2025 entre Tokyo y Osaka. En otros casos, se está utilizando la capacidad de levitar un superconductor sobre un imán para construir vehículos que se desplazan levitando sobre un circuito de imanes permanentes.

Vehículo basado en la levitación de superconductores. Cortesía de Evico GmbH/IFW Dresden

Diseño de nuevos dispositivos electrónicos Los materiales superconductores también se utilizan en diferentes dispositivos electrónicos de altas prestaciones. Los más comunes son los llamados SQUID, que permiten detectar campos magnéticos muy pequeños y se utilizan en instrumentos científicos de precisión para la medida de diversas magnitudes físicas. Son capaces de detectar los campos magnéticos inducidos por las transmisiones entre grupos de neuronas del cerebro y se han comenzado a utilizar para obtener magneto-encefalogramas.

Circuito electrónico mostrando un SQUID

¿Qué hacemos en el ICMA? Fabricación y caracterización de superconductores para aplicaciones eléctricas

En el ICMA se trabaja en el desarrollo de materiales superconductores para aplicaciones eléctricas y en la compresión de sus propiedades. Se fabrica el material, se estudian sus propiedades eléctricas, magnéticas y térmicas y se realizan simulaciones numéricas para predecir su comportamiento. Se utilizan técnicas de fusión zonal inducida con láser para fabricar barras y recubrimientos de materiales superconductores de alta temperatura. Con esta tecnología se han fabricado barras de 1mm de diámetro con las que es posible transportar más de un centenar de amperios en nitrógeno líquido. También se han fabricado hilos con la técnica de polvo en tubo que consiste en rellenar un tubo metálico con polvo superconductor y trefilarlo y laminarlo manteniendo un alma superconductora en su interior.

Cortes con láser sobre un superconductor texturado para formar meandros para un limitador resistivo de corriente

Prototipo de barra de alimentación de 600 A desarrollada en el ICMA

Bobinas superconductoras El ICMA colaboró en el diseño, fabricación y puesta en funcionamiento de la primera bobina superconductora solenoidal fabricada en España.

Cortes con láser sobre un superconductor texturado para formar meandros para un limitador resistivo de corriente

Utilización de superconductores en metrología El ICMA ha desarrollado un patrón de voltaje basado en el efecto Josephson, un efecto que aparece en uniones débiles entre dos superconductores, y que mejora 1000 veces la precisión de los patrones anteriores. Posteriormente se ha realizado un patrón de resistencia basado en el efecto Hall cuántico que utilizaba una bobina superconductora y un comparador criogénico de corriente basado en detectores SQUID. Sensores superconductores En la actualidad se está trabajando en el desarrollo de nuevos detectores de rayos X basados en superconductores. Una de sus posibles aplicaciones serán los nuevos telescopios de rayos X que la Agencia Espacial Europea piensa poner en órbita en el futuro.

Más información: Centenario de la superconductividad

A lo largo del año 2011 y la primera mitad el 2012, y en el marco de un proyecto financiado por la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT), la Obra Social de Ibercaja, Quantum Design y el propio ICMA, se han organizado una serie de actividades para conmemorar el Centenario de la Superconductividad y para las que se han elaborado una serie de materiales que están a disposición de todas las personas interesadas en este tema. Folleto Divulgativo Exposición: Centenario de la Superconductividad: El mundo cuántico a escala kilométrica Esta exposición consta de 10 paneles en los que se repasan las propiedades de los materiales superconductores, sus principales aplicaciones y algunas de las líneas de investigación desarrolladas en el ICMA. A continuación se pueden descargar estos paneles.  Historia de la superconductividad  Superconductores y campos magnéticos  La superconductividad en la naturaleza  Conductores eléctricos SC  Generación y distribución de energía  Generación de campos magnéticos  Aplicaciones electrónicas de la SC  Una mirada al futuro inmediato  Superconductividad en el ICMA  Superconductividad en el ICMA Aplicación Para el Laboratorio Virtual de Ibercaja se ha creado una aplicación sobre superconductividad que contiene cinco ejercicios relacionados con las aplicaciones de los materiales superconductores. Esta aplicación se ha realizado con el objeto de que profesores de Educación Secundaria y Bachillerato puedan trabajar algunos aspectos de los materiales superconductores con sus alumnos. En la zona de descargas hay ficheros específicos con información para los profesores. Esta aplicación puede descargarse en http://www.ibercajalav.net/curso.php?fcurso=551&fpassword=lav&fnombre=0.5036634103012764 Videos sobre superconductividad En el repositorio del CSIC CIenciaTK se ha incluido un video sobre la superconductividad y los materiales superconductores Pueden descargarse los videos en los siguientes enlaces: Superconductividad http://www.cienciatk.csic.es/Videos/MATERIALES+SUPERCONDUCTORES+SUPERCONDUCTIVIDAD_25 447.html

Materiales superconductores http://www.cienciatk.csic.es/Videos/MATERIALES+SUPERCONDUCTORES+MATERIALES+SUPERCOND UCTORES_25448.html Aplicaciones de la superconductividad http://www.cienciatk.csic.es/Videos/MATERIALES+SUPERCONDUCTORES+APLICACIONES_25451.html El proceso de levitación http://www.cienciatk.csic.es/Videos/MATERIALES+SUPERCONDUCTORES+EL+PROCESO+DE+LEVITA CION_25449.html Superconductividad en el ICMA http://www.cienciatk.csic.es/Videos/MATERIALES+SUPERCONDUCTORES+%C2%BFQUE+HACEMOS+ EN+EL+ICMA%3F_25450.htm Artículos en prensa: Con motivo del centenario de la superconductividad el suplemento Tercer Milenio del Heraldo de Aragón publicó el 18 de Octubre de 2011 el artículo: "Cien Años de Superconductividad

http://www.monografias.com/trabajos29/energia/energia2.shtml http://www.monografias.com/trabajos29/energia/energia2.shtml

La Energía en el mundo IV. LOS MATERIALES HOY LA INVESTIGACION sobre materiales es en nuestros días una de las disciplinas más cultivadas. En este libro he querido hacer énfasis en el aspecto social que presenta la ciencia-ingeniería de materiales. A lo largo del mismo se ha comentado con insistencia que en la actualidad la ciencia-ingeniería de materiales se enfoca a la satisfacción de las demandas de la humanidad mediante la creación de materiales hechos a la medida. Consecuentemente, el estado actual de la investigación atiende tanto a necesidades de la humanidad de orden muy general como a requerimientos muy particulares de ciertas comunidades. En el primer caso se obtienen resultados universalmente aplicables y en el segundo soluciones de importancia local y que pudieran tener poco sentido para otra comunidad.

Son muchos los ejemplos útiles para dar un panorama general sobre el estado actual y las perspectivas de la ciencia-ingeniería de materiales. De entre ellos he escogido tres temas de gran relevancia a nivel mundial y que actualmente se desarrollan con muy buen éxito en los laboratorios del Instituto de Investigaciones en Materiales de la Universidad Nacional Autónoma de México (IIM-UNAM). ALEACIONES CON MEMORIA DE FORMA La primera vez que uno escucha que un pedazo de material ha "aprendido" algo, no puede menos que prepararse a escuchar algún cuento tradicional o de ciencia ficción en el que los objetos inanimados se mueven por sí solos, hablan y aprenden. La disposición a escuchar la fantasía se incrementa cuando se nos afirma que, una vez que el material ha aprendido algo, es capaz de recordarlo. Sin embargo, nuestra curiosidad por dicha narración se convierte en curiosidad científica cuando podemos presenciar el experimento siguiente: Una cinta de material similar al latón, en forma de semicírculo, se aproxima a una flama. Pronto empieza a enderezarse hasta tomar la forma de una regla, es decir, ahora está recta. A continuación se le sumerge en un vaso que contiene agua y súbitamente se curva para tomar su forma inicial de semicírculo. El experimento se repite una y otra vez, y la cinta invariablemente "recuerda" que cuando está en presencia de una flama (60°C) debe estar recta, y que cuando está expuesta al ambiente (20°C) debe tomar la forma de semicírculo. Si ahora se nos preguntase el nombre que le asignaríamos a tan sorprendente fenómeno, estoy seguro que el más apropiado sería: "memoria de forma doble", pues el material guarda memoria de las formas que debe adoptar cuando se encuentre a dos temperaturas bien determinadas. ¿Qué es lo que provoca que el material se comporte de esta manera? Microscópicamente, el llamado efecto memoria de forma consiste en el desplazamiento de los átomos en ciertas aleaciones cuando éstas se enfrían bruscamente. Técnicamente se trata de un cambio de fase denominado transformación martensítica, de la cual ya se habló en este libro al tratar el "misterio" de los aceros de Damasco. Cuando hablamos sobre ellos, mencionamos como responsable de su dureza a un proceso de transformación de una fase estable a alta temperatura (austenítica) a otra fase, generalmente metaestable, llamada martensítica, que ocurre como consecuencia del enfriamiento brusco. Esta transformación tiene la particularidad de llevarse a efecto sin difusión, es decir, sin migración de

moléculas. Lo que ocurre es simplemente un desplazamiento de átomos en forma organizada, de modo que la estructura cristalina se modifica. Si bien fue el acero el primer material en el que se observó este tipo de transformación, no es el único en el que ocurre, y tal proceso cobra particular significación cuando se observa en aleaciones no ferrosas como níquel-titanio, en la que se traduce en el efecto memoria de forma. Además, en estas aleaciones es posible obtener la transformación martensítica no sólo mediante cambios de temperatura sino también por esfuerzo mecánico Considérese, por ejemplo, una tira (plaqueta) de la aleación níquel-titanio en fase austenítica (A) a la temperatura T1 Figura 25 (a)). Mediante enfriamiento rápido pasemos la muestra a su fase martensítica (M) y tendremos la (Figura 25 (b)), en la que la tira tendrá la misma forma geométrica pero estará en una fase distinta (martensítica) y a temperatura T2. Si en esta fase y a la temperatura T2 se aplica un esfuerzo creciente, la plaqueta se deformará en dos etapas: primero de manera elástica, para continuar deformándose por reorientación de granos de diferente orientación cristalográfica (Figuras 25 (c) y 25 (d)). En esta segunda etapa se llegan a obtener deformaciones hasta de un 10% sin que se inicie la deformación plástica del material. Al retirar el esfuerzo la muestra se encuentra en las condiciones siguientes: en fase martensítica, deformada en relación con su forma original, sin esfuerzo externo y a temperatura T2. Si ahora se eleva la temperatura de T2 a T1, lo que ocurre es que la plaqueta regresa a su fase austenítica y recobra su forma original (Figura 25 (e)). Dicho de otra manera, el material recuerda la fase y forma que tenía a la temperatura T1, y de aquí el nombre de fenómeno de "memoria de forma simple". Existe además el fenómeno de "memoria de forma doble", que consiste en que el material recuerda tanto la forma geométrica observada en la fase austenítica o fase a alta temperatura, como la de la fase martensítica o de baja temperatura, de tal modo que siempre que el material se encuentre a la temperatura T1 tomará la forma que "aprendió" en tal condición y ocurrirá lo mismo a la temperatura T2. En el cuadro 5 se muestran ejemplos de la gran variedad de aplicaciones que habrá de tener este fenómeno. (Este cuadro fue tomado del artículo "Aleaciones con memoria de forma" del doctor David Ríos Jara, aparecido en la revista ICYT, noviembre de 1987.)

Figura 25.

Cuadro 5. Aplicaciones tecnológicas de las aleaciones con memoria de forma.

Aplicación

Aleación ( es )

Observaciones

EFECTO MEMORIA DE FORMA SIMPLE Fusibles térmicos

Cu-Zn-Al Cu-Zn-Ni

Rearmables Rearmables

Detectores y accionadores de dispositivos de control térmico (alambres contra incendios, por ejemplo)

Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni

El elemento con memoria de forma puede efectuar las dos funciones al mismo tiempo

Detectores de calentamiento excesivo de celdas en cuñas electrolíticas

Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni

Elimina detección manual

la

Anillos de ensamblaje rápido de tubería

Cu-Zn-Al

Barras de tratamiento de escoliosis severas (desviaciones de la columna vertebral)

Ti-Ni

Implantable en el cuerpo humano Aleación inerte

Grapas ligadura Trompas Falopio

Ti-Ni

Contracepción

Ti-Ni

Aleación inerte. Buena resistencia mecánica

Ti-Ni

Ya han utilizadas

Dispositivos diversos ortopedia

para de de

Cu-Al-Ni

para

Antenas autodesplegables para satélites

Elimina la necesidad de soldadura en tubería submarina (TiNi). Procesos económicos

DOBLE EFECTO MEMORIA DE FORMA SIMPLE

Controles térmicos de flujo de agua o gas

Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni

Válvulas térmicas

sido

Relevadores térmicos

Cu-Zn-Al

Motores de estado sólido

Cu-Zn-Al

Cu-Al-Ni

Cu-Al-Ni

Alambres guías de ópticas

para fibras

Ti-Ni

Sistemas abertura automática aereación

de

Cu-Zn-Al

de

Cu-Al-Ni

No necesitan ser rearmables De baja eficiencia pero económicos y de mantenimiento simple Ayudan a la introducción de una fibra óptica en el interior del cuerpo humano Invernaderos, automóviles, etc.

PSEUDOELASTICIDAD Resortes geometrías diversas

con

Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni

Aplicaciones de alta tenacidad

AMORTIGUAMIENTO Partes de aviones y automóviles

Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni

Se han también cohetes militares

usado en

Sistemas de reducción de ruido

Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni

Cubren el espectro audible

BIOMATERIALES La pérdida de un miembro o parte del organismo es sin duda alguna uno de los eventos que más ha preocupado a la humanidad desde siempre. Consecuentemente, son muchos los esfuerzos que ésta ha hecho para remediar estas pérdidas, desarrollando implantes o prótesis como medios correctivos sustitutos del miembro natural. Los materiales más apropiados para estas funciones han tenido que investigarse en términos no sólo de la función que habrán de realizar sino del medio en el que estarán y de su interrelación con el resto del organismo. La ciencia médica ha conseguido con éxito el trasplante de órganos, sustituyendo el órgano dañado por otro igual, perteneciente a otra persona. La ciencia de materiales, por su parte, ha hecho posible la sustitución de elementos vivos por elementos artificiales y así es como hemos oído hablar —o la hemos experimentado— de la implantación de un pedazo de hidroxiapatita en sustitución de un hueso o de la colocación de una válvula cardiaca construida con titanio y nylon en vez de una válvula "original". Esta rama de la ciencia-ingeniería de materiales que se ha desarrollado en apoyo directo a la vida recibe en nuestros días una gran atención a nivel mundial. El cuadro 6 muestra en forma resumida algunos de los dispositivos para implantes que actualmente están en proceso de prueba para su aplicación real, o tienen ya un uso generalizado. En México, esta rama de la ciencia-ingeniería de materiales no se ha desarrollado en forma organizada, si bien los esfuerzos aislados de algunos laboratorios y de investigadores independientes han logrado ciertos éxitos. Cuadro 6. Dispositivos de implante en uso o probados, su función y los biomateriales empleados.

Dispositivo

Función

Biomaterial

SISTEMAS SENSORIALES Y NERVIOSOS Humor vítreo

artificial Llenar la cavidad Esponja vítrea del ojo teflón:

de silicón pologliceril

metacrilato (PGMA)

Prótesis de córnea

Proprociona una vía Polimetil metacrilato óptica a la retina (PMMA); hidrogel

Lentes intraoculares

Corregir causados cataratas

problemas PMMA (lentes); nylon, por polipropileno, Pt, Ti, Au (aros)

Ducto artificial del Corregir la PMMA saco lagrimal obstrucción crónica Trompa de Propiciar tránsito de Goma elástica Eustaquio artificial ventilación pura silicón, teflón Tubulación nerviosa

de

Poner en línea recta Membrana de silicón, diversos nervios metales quirúrgicos porosos

Prótesis oído medio Reemplazar huesos PMMA; hilo metálico; dañados del oído proplast (PTEE+fibra medio de carbón); biovidrio Guías percutáneas Conducir potencia o Nylon o dacrón electricidad a terciopelado, PMMA dispositivos sensoriales Prótesis auditivas, Restauración de oído Alambres y electrodos prótesis visuales y visión de Pt y Pt-Ir; electrodos de TaTa2O5, acero inoxidable, goma elástica de silicón; PMMA

Analgesia eléctrica Eliminar dolor crónico Alambres y electrodos de Pt y Pt-Ir; electrodos de TaTa2O5, acero inoxidable, goma elástica de silicón; PMMA

Control eléctrico de Conducir señales El mismo ataque epiléptico eléctricas al cerebro Estimulación frénica

Control de respiración eléctricamente

la El mismo

Control de vejiga

Estimular la El mismo liberación de lavejiga

CORAZÓN Y SISTEMA CARDIOVASCULAR

Estimulación miocardio endocardio (marcapasos corazón)

al Mantener y cardiaco

el

de

Desviaciones crónicas catéteres Válvulas cardiacas

Auxiliar y hemodiálisis

ritmo Acero inoxidable, contenedores de Ti, goma elástica de silicón, cera epoxy encapsulada; electrodos de Pt o aleaciones Pt-Ir en Polietileno, revestimientos hidrofilicos

Reemplazar válvulas Aleaciones Co-Cr; enfermas carbón isotrópico a baja temperatura, injertos porcinos; aleaciones de Ti con silastic o discos de carbón pirolítico

Prótesis arteriales y Reemplazar arterias Segmentos de vasculares; dañadas y vasos poliuretano, goma componentes sanguíneos; elástica de silicón o artificiales del reemplazar el ejes de carbón corazón; corazón pirolítico con mallas dispositivos de dacrón; heparina auxiliares del +GBH o TGBH corazón revestimientos sobre teflón o goma elástica de silicón; PHEMA revestidas con polímeros; dacrón terciopelado, fieltros y tejidos; tejidos de poliolefinas (TP), TP con superficie de gelatina enlazada transversal; tan sólo teflón (PTFE)

REPARAR Y REEMPLAZAR EL ESQUELETO

Cadera artificial, hombro, carpo, etc.

total Reconstrucción Vástagos: acero rodilla, artrítica o fractura de inoxidable 316L; codo, articulaciones aleaciones T-Al-V; aleaciones ahuecadas de CoCr-Mo-Ni; polietileno de alta densidad; "cemento" PMMA; alúmina de baja densidad; polímero poliacetal; recubrimientos de metal-carbón pirolítico; recubrimiento de metal-biovidrio; politetrafluoroetileno poroso (PTFE); recubrimientos de

PTFE-carbón

sobre metal; fibras de PMMAcarbón, polvos compuestos de PMMAcervital; acero inoxidable poroso; Co-Cr; Ti y aleaciones de Ti

Placas de hueso, Reparar fracturas tornillos, alambre

Acero inoxidable 316L; aleaciones CoCr; Ti y aleaciones de Ti; fibra compuesta de polisulfona-carbón; fibra compuesta de biovidrio-metal; compuesto de ácido poliláctico-ácido poliglicólico

Clavos intramedulares

El mismo

Alinear fracturas

Varillas Harrington Corregir la curvatura El mismo crónica de la espina

Miembros del Reemplazar cuerpo artificiales extremidades implantados perdidas permanentemente

El mismo, además de nylon o dacrón terciopelados sobre silastic para tejido suave con crecimiento interno

Separadores extensores vertebrales

Al2O3

y Corregir deformidades congénitas

Fusión espinal

Inmovilizar vértebras Biovidrio para proteger la médula espinal

Estimulación funcional neuromuscular

Controlar músculos Electrodos de Pt, Pteléctricamente Ir; silicón; aislamiento de teflón DENTAL

Reposición de Restaurar el soporte PTFE carbón hueso alveolar, alveolar para mejorar compuesto (proplast); reconstrucció la dentadura Al2O3 poroso; cervital; mandibular adecuada HEMA hidrogel-relleno, apatita porosa; fosfato tricálcico; copolímero PLA/PGA; biovidrio, apatita densa Implantes de Reemplazar dientes Acero inoxidable, reemplazo de enfermos, lesionados aleaciones Co-Cr-Mo, dinetes (aletas, o no existentes Ti y aleaciones de Ti anclas, Al2O3, espirales,cilindros biovidrio,carbón LTI, en forma natural o PMMA, proplast, con base aluminato de calcio modificada) poroso, mineral de MgAl2O4, carbono vítreo, hicroxiapatita densa Implantes reemplazo o dientes subperiósticos

de Soportar el puente de Acero inoxidale, de trabajo o aleación de Co-Cr-Mo, directamente dientes recubrimientos de sobre el hueso carbón LTI alveolar

Anclas ortodónticas Proporcionar postes Biovidrio bañado de para la aplicación del Al2O3; biovidrio esfuerzo requerido bañado de Vittalium para cambiar deformidades PRÓTESIS PARA RELLENO DE TEJIDO BLANDO Contorno de cara y Reemplazar tejido Goma elástica de prótesis de relleno enfermo, silicón (silastic), (nariz, oreja, traumatizado polietileno, PTFE, mejilla) o con tumores silicón fluido, fluido de colágeno disuelto Prótesis mamarias

Reemplazar aumentar el seno

o Gel y goma elástica de silicón, tejido de dacrón, esponja hydrón

Hueso para Rellenar defectos defectos craneales y prótesis de reconstrucción máxilofacial

Resina acrílica curada-uniforme; acero inoxidable, aleación Co-Cr, lámina de Ta, polietileno y uretano poliéster cubierto de tereftalato de poloetileno recubierto de malla tejida

Cartílago artificial

articular Reemplazar cartílagos deteriorados por artritis

los Hidrogel PVA cristalizado y polímeros de poliuretano; PFTE con fibras de grafito (proplast)

MISCELÁNEA DE TEJIDO SUAVE

Uretra, vejiga y Reemplazar pared intestinal dañado artificiales

tejido Teflón, nylonpoliuretano compuesto; pericardio tratado de bovino; banda elástica de silicón

Piel artificial

Tratamiento en Colágeno procesado; quemaduras severas membrana de silicón ultradelgada de espuma de policaprolactona (PCA); película PCA compuesta

Desviación hidrocefálica

Propiciar el drenaje y Cinta reducir la presión silicón

Parches suaves

Reparar hernias

Desviaciones internas

Propiciar el acceso Colágeno modificado; rutinario a las silastic unidades de diálisis

Desviaciones externas

Propiciar el acceso Silastic-teflón rutinario para diálisis dacrón

Suturas

Mantener el contacto Acero inoxidable, suave para ayudar cera, nylon, PGA, a la cicatrización dacrón, cuerda de tripa, polipropileno

Sistemas liberación drogas

elástica

de

Acero inoxidable, malla de dacrón

o

de Reemplazar drogas Cinta elástica de de progresivamente; silicón, hidrogels de inmovilizar enzimas copolímero etilenoacetato de vinilo; PLA/PGA polisacáridospolímeros de vinil

Tráquea artificial

Reconstrucción de la Malla de dacrón tráquea poroso-poliéster uretano, malla de Ta, esponja Ivalon y malla de polipropileno

Tal es el caso de la producción de prótesis mamarias para uso externo, cuyo proceso fue desarrollado en el Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM ante los requerimientos presentados por el Grupo RETO, A.C., como parte de su programa de rehabilitación física y psicológica de mujeres con mastectomía (extirpación del seno por tumor canceroso). Desafortunadamente, el número de mujeres en México que tiene que sujetarse a una cirugía de esta naturaleza alcanza la cifra de 5 000 a 6 000 por año. En este tipo de cirugía, aparte del daño físico resultado de la propia operación, se presenta un daño psíquico severo que impone la necesidad del uso de una prótesis. Los precios de éstas son lo suficientemente elevados como para quedar fuera del alcance de ciertos estratos socio económicos. En la actualidad, a nivel mundial, existen prótesis mamarias tanto para uso interno como externo. Las primeras, claro está, proporcionan una solución más de fondo, y son el resultado de una tecnología más avanzada tanto de materiales como desde el punto de vista médico, y por consiguiente, tienen un precio más elevado que las segundas. Éstas, por su parte, observan características en cierta manera opuestas, lo que representa enormes ventajas económico-sociales. La figura 26 muestra los moldes que fueron diseñados y construidos para obtener los prototipos de la prótesis de uso externo y la prótesis misma, la cual es de poliuretano espumado. Además de este tipo de prótesis, y como resultado de crecientes investigaciones sobre los materiales, se ha seguido trabajando en forma multi e interdisciplinaria en la obtención de prótesis y dispositivos internos a base de silicón para el tratamiento de enfermedades muy diversas.

Figura 26.

LOS SUPERCONDUCTORES "CALIENTES" Durante el proceso de elaboración de este libro, se dio a conocer el resultado de una investigación científica que ha conmocionado al mundo. Se trata de un fenómeno "viejo": la superconductividad (véase pp. 75-77 del volumen 3 de La Ciencia desde México) con un material "nuevo": las cerámicas. Lo que se ha obtenido son materiales cerámicos superconductores de alta temperatura de transición. El "viejo" fenómeno de superconductividad (descubierto en 1911 por Heike Kamerlingh Onnes) se manifiesta fundamentalmente en dos hechos experimentales, a saber: — Un material superconductor es aquel que, en una temperatura determinada, presenta una resistencia eléctrica igual a cero. — En el estado superconductor el material se comporta como un diamagneto perfecto, es decir, se opone a que un campo magnético penetre en él (efecto Meissner). Las temperaturas a las que se había observado este fenómeno eran, hasta 1986, menores a 24 K (249°C por debajo de la temperatura de congelación del agua), lo cual representaba enormes dificultades tanto para observarlo como para utilizarlo en aplicaciones prácticas a costos razonables, ya que la única manera de alcanzar tan bajas temperaturas es mediante helio líquido, que exige una tecnología muy sofisticada tanto para obtenerlo como para manejarlo.

Así pues, aunque las posibles aplicaciones de la superconductividad fueron advertidas desde el descubrimiento mismo del fenómeno, su utilización se veía muy remota, y quedó como gran reto para la ciencia de los materiales y como gran demanda de la humanidad el encontrar materiales superconductores a temperatura lo más alta posible, incluso a la temperatura ambiente. En su intento por satisfacer esta demanda, la humanidad ha dado los pasos que se muestran en la gráfica 1, en la que es fácil observar que en 64 años (de 1911 a 1973) se logró un incremento de tan sólo 20 grados (de 4.2 K a 23.4 K), mientras que, tan sólo en 13 años (1973 a 1986), ¡se logró un incremento de aproximadamente 67 grados! El avance ha sido enorme, espectacular, sobre todo si se toma en consideración que ahora sólo se requiere enfriar el material a la temperatura del nitrógeno líquido (-196°C) para obtener una resistencia igual a cero en el material, así como expulsión del campo magnético.

Gráfica 1.

Por otra parte, no deja de llamar la atención que los materiales que ahora se conocen como "de alta temperatura de transición" son

materiales cerámicos, los cuales tradicionalmente se han venido utilizando como aislantes. ¿No son acaso de porcelana los aislantes utilizados en las líneas de alta tensión? ¿Y no es la porcelana una cerámica? Los mecanismos responsables del fenómeno de superconductividad en estos nuevos materiales no han sido hasta la fecha debidamente dilucidados, y con toda seguridad habrán de llevarse a cabo muchas investigaciones para explicar lo que está ocurriendo en estas cerámicas superconductoras a alta temperatura. Ya se vislumbra que los mecanismos no son idénticos a los que dan lugar a la superconductividad de baja temperatura, y la cantidad de preguntas que están surgiendo en torno a este nuevo fenómeno es enorme: ¿Será posible encontrar otros materiales que sean superconductores a temperaturas más elevadas? ¿Serán éstos los superconductores supercalientes? ¿Será acaso posible llegar a temperatura ambiente? Las aplicaciones que se suponían posibles cuando el fenómeno sólo se observaba a baja temperatura, ¿seguirán como expectativas válidas para estos nuevos superconductores? En nuestro país se realizan investigaciones tendientes a proporcionar las respuestas a estas preguntas. La figura 27 muestra la levitación magnética producida por el efecto Meissner. Los superconductores que aparecen en la fotografía son cerámicas de Y1Ba2Cu3O7-, elaboradas en el Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM.

Figura 27.

http://www.ecured.cu/index.php/Superconductividad

Superconductividad. Capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica con resistencia y pérdida de energía cercanas a cero en determinadas condiciones. La superconductividad es una fase de ciertos materiales que se da normalmente a bajas temperaturas. No obstante no es suficiente con enfriar, también es necesario no exceder una corriente crítica ni un campo magnético crítico para mantener el estado superconductor. Esta propiedad fue descubierta en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes, cuando observó que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía cuando se lo enfriaba a 4 Kelvin (-269 °C).

Superconductividad

Concepto:

Capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica con resistencia y pérdida de energía cercanas a cero en determinadas condiciones

Contenido [ocultar]    

 

1 Historia 2 Descripción 3 Teoría 4 Comportamientos o 4.1 Comportamiento Eléctrico o 4.2 Compartamianto Magnético 5 Aplicación 6 Fuentes

Historia La superconductividad fue descubierta en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes, que observó que el mercurio no presentaba resistencia eléctrica por debajo de 4,2 K (-269 °C). El fenómeno no se empezó a entender hasta que, en 1933, los alemanes Karl W. Meissner y R. Ochsenfeld detectaron un acusado diamagnetismo en un superconductor. Sin

embargo, los principios físicos de la superconductividad no se comprendieron hasta 1957, cuando los físicos estadounidenses John Bardeen, Leon N. Cooper y John R. Schrieffer propusieron una teoría que ahora se conoce como teoría BCS por las iniciales de sus apellidos, y por la que sus autores recibieron el Premio Nobel de Física en 1972. La teoría BCS describe la superconductividad como un fenómeno cuántico, en el que los electrones de conducción se desplazan en pares, que no muestran resistencia eléctrica. Esta teoría explicaba satisfactoriamente la superconducción a altas temperaturas en los metales, pero no en los materiales cerámicos. En 1962, el físico británico Brian Josephson estudió la naturaleza cuántica de la superconductividad y predijo la existencia de oscilaciones en la corriente eléctrica que fluye a través de dos superconductores separados por una delgada capa aislante en un campo eléctrico o magnético. Este fenómeno, conocido como efecto Josephson, fue posteriormente confirmado experimentalmente

Descripción La superconductividad es un fenómeno que presentan algunos conductores que no ofrecen resistencia al flujo de corriente eléctrica Los superconductores también presentan un acusado diamagnetismo, es decir, son repelidos por los campos magnéticos. La superconductividad sólo se manifiesta por debajo de una determinada temperatura crítica Tc y un campo magnético crítico Hc, que dependen del material utilizado. Antes de 1986, el valor más elevado de Tc que se conocía era de 23,2 K (-249,95 °C), en determinados compuestos de niobio-germanio. Para alcanzar temperaturas tan bajas se empleaba helio líquido, un refrigerante caro y poco eficaz. La necesidad de temperaturas tan reducidas limita mucho la eficiencia global de una máquina con elementos superconductores, por lo que no se consideraba práctico el funcionamiento a gran escala de estas máquinas. Sin embargo, en 1986, los descubrimientos llevados a cabo en varias universidades y centros de investigación comenzaron a cambiar radicalmente la situación. Se descubrió que algunos compuestos cerámicos de óxidos metálicos que contenían lantánidos eran superconductores a temperaturas suficientemente elevadas como para poder usar nitrógeno líquido como refrigerante. Como el nitrógeno líquido, cuya temperatura es de 77 K (-196 °C), enfría con una eficacia 20 veces mayor que el helio líquido y un precio 10 veces menor, muchas aplicaciones potenciales empezaron a parecer económicamente viables. En 1987 se reveló que la fórmula de uno de estos compuestos superconductores, con una Tc de 94 K (-179 °C), era (Y0,6Ba0,4)2CuO4. Desde entonces se ha demostrado que los lantánidos no son un componente esencial, ya que en 1988 se descubrió un óxido de cobre y talio-bario-calcio con una Tc de 125 K (-148 °C).

Teoría La teoría microscópica más aceptada para explicar los superconductores se denomina Teoría BCS. La superconductividad se puede explicar como una aplicación del Condensado

de Bose-Einstein. El problema es que los electrones son fermiones, por lo que no se les puede aplicar esta teoría directamente. Justamente la idea de la Teoría BCS es que los electrones se aparean formando un par de fermiones que se comporta como un bosón. Esta pareja se denomina par de Cooper y su enlace está justificado en las interacciones de los electrones entre sí mediada por la estructura cristalina del material.

Comportamientos Comportamiento Eléctrico La aparición del superdiamagnetismo es debida a la capacidad del material de crear supercorrientes. Éstas son corrientes de electrones que no disipan energía, de manera que se pueden mantener eternamente sin obedecer el Efecto Joule de pérdida de energía por generación de calor. Las corrientes crean el intenso campo magnético necesario para sustentar el efecto Meissner. Estas mismas corrientes permiten transmitir energía sin gasto energético, lo que representa el efecto más espectacular de este tipo de materiales. Debido a que la cantidad de electrones superconductores es finita, la cantidad de corriente que puede soportar el material es limitada. Por tanto, existe una corriente crítica a partir de la cual el material deja de ser superconductor y comienza a disipar energía. En los superconductores de tipo II, la aparición de fluxones provoca que, incluso para corrientes inferiores a la crítica, se detecte una cierta disipación de energía debida al choque de los vórtices con los átomos de la red.

Compartamianto Magnético Aunque la propiedad más sobresaliente de los superconductores es la ausencia de resistencia, lo cierto es que no podemos decir que se trate de un material de conductividad infinita, ya que este tipo de material por sí sólo no tiene sentido termodinámico. En realidad un material superconductor es un diamagnético perfecto. Esto hace que no permita que penetre el campo, lo que se conoce como efecto Meissner. Hay dos tipos de superconductores. Los de Tipo I no permiten en absoluto que penetre un campo magnético externo. Esto conlleva un esfuerzo energético alto, con lo que la mayoría de materiales reales se transforman en el segundo tipo. Los de tipo II son superconductores imperfectos, en el sentido en que el campo realmente penetra a través de pequeñas canalizaciones denominadas vórtices de Abrikosov, o fluxones. Estos dos tipos de superconductores son de hecho dos fases diferentes que fueron predichas por Lev Davidovich Landau y Aleksey Alekséyevich Abrikósov. Cuando a un superconductor aplicamos un campo magnético externo débil lo repele perfectamente. Si lo aumentamos, el sistema se vuelve inestable y prefiere introducir vórtices para disminuir su energía. Éstos van aumentando en número colocándose en redes de vórtices que pueden ser observados mediante técnicas adecuadas. Cuando el campo es suficientemente alto, el número de defectos es tan alto que el material deja de ser

superconductor. Éste es el campo crítico que hace que un material deje de ser superconductor y que depende de la temperatura.

Aplicación Por su ausencia de resistencia, los superconductores se han utilizado para fabricar electroimanes que generan campos magnéticos intensos sin pérdidas de energía. Los imanes superconductores se han utilizado en estudios de materiales y en la construcción de potentes aceleradores de partículas. Aprovechando los efectos cuánticos de la superconductividad se han desarrollado dispositivos que miden la corriente eléctrica, la tensión y el campo magnético con una sensibilidad sin precedentes. El descubrimiento de mejores compuestos semiconductores es un paso significativo hacia una gama mayor de aplicaciones, entre ellas computadoras más rápidas y con mayor capacidad de memoria, reactores de fusión nuclear en los que el plasma se mantenga confinado por campos magnéticos, trenes de levitación magnética de alta velocidad y, tal vez lo más importante, una generación y transmisión más eficiente de la energía eléctrica. El Premio Nobel de Física de 1987 se concedió al físico alemán J. Georg Bednorz y al físico suizo K. Alex Mueller por su trabajo sobre la superconductividad a altas temperaturas. http://www.madrimasd.org/cienciaysociedad/ateneo/temascandentes/nuevos_materiales/defau lt.asp Nuevos materiales

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Nuestro actual entorno tecnológico, cada vez más próximo y cotidiano, está plagado de un buen número de objet propiedades físicas y químicas impensables hace unas pocas décadas: plásticos que conducen la electricidad, cerámic

soportar sin deformarse temperaturas altísimas, pantallas de televisión y ordenador totalmente planas y delgadas co otros muchos aparatos y dispositivos de uso diario. La llamada ciencia de los materiales es una rama del relativamente reciente y extraordinariamente activa; sus equipos de investigación son esencialmente multidiscipli químicos, ingenieros, informáticos y, en algunos casos, biólogos e incluso médicos. Sus elementos de trabajo son limitados: los elementos de la tabla periódica. Toda la materia del universo, todos los compuestos químicos, meta cerámicas, plásticos y materiales orgánicos e inorgánicos que han existido, y todos los que existirán en el futuro, es los mismos elementos. La tabla periódica es, para estos científicos, como la piedra de Rosetta para los descifradores d

¿Cómo se diseña un material con propiedades excepcionales? Antaño, descubrir uno de estos materiales era producto del azar, de la suerte o de la intuición. A modo de ejemplo, podemos acordarnos del modo en que Charles Goodyear descubrió el proceso de vulcanización del caucho, a finales del siglo XIX; tras varias décadas de infructuosa investigación sobre un método para endurecer el caucho, realizados en la cocina de su domicilio, su esposa, harta ya de soportar el nauseabundo olor de los experimentos del marido, obligó a éste a realizar la solemne promesa de abandonar sus estudios. Un día en que Mr. Goodyear, contraviniendo su promesa, estaba amalgamando caucho y azufre, se vio sorprendido por la llegada inesperada de su mujer, y se deshizo de lo que tenía entre manos echándolo al fuego. Por fin halló lo que estaba buscando; su descubrimiento resultó fundamental para construir neumáticos, impermeables, fundas aislantes de cables y otros muchos objetos, hoy en día, indispensables en nuestra sociedad.

Imagen de microscopía electrónica de niobato d bismuto, un material ferroeléctrico de última genera

En la actualidad, gran parte de lo que en tiempos pretéritos se fiaba a la intuición, o a la buena suerte, se funda paciente labor de comprensión de los mecanismos por los que se unen los átomos, las moléculas, los cristales e incl viva. Gran parte de los nuevos materiales no son más que el resultado de aplicar lo que las investigaciones en fís básica descubren constantemente. Es sorprendente constatar cuántos de los descubrimientos galardonados con el son la piedra angular de los inventos actuales; es fundamental conocer cuáles son los mecanismos por los que tradicionales poseen unas determinadas propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, magnéticas y ópticas para pod nuevos materiales que posean estas mismas propiedades mejoradas, o bien una combinación de var

Por poner únicamente dos ejemplos, en el a concedieron los premios Nobel de química a Alan J. G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa por sus investig polímeros plásticos que conducen la electricidad. E se están utilizando actualmente en la fab recubrimientos anti-estáticos para películas foto pantallas protectoras de radiación en ordenadores y inteligentes que pueden disminuir la luz solar. ayudado a desarrollar plásticos con propiedades sem que pueden ser utilizados en las pantallas pequ teléfonos móviles, en mini-televisiones y en otro análogos. Por su parte, los galardonados con el N Fotodiodo lector de códigos de barras, construido mediante ese mismo año fueron Zhores I. Alferov y Herbert K técnicas de superposición de capas semiconductoras desarrollo de estructuras de varias capas d semiconductores que posibilitan la construcción d rápidos y de pequeño tamaño que son esenciales, para la construcción de transistores de tamaño dim que funcionan los teléfonos móviles, los láseres de l CD, los lectores de códigos de barras y otros apar estos científicos, fue galardonado Jack Kilby por la chip, el circuito integrado, constituyente básico de los aparatos electrónicos de nuestros días, desde la lavadora al más sofisticado satélite de telecomunicac

Aspecto de uno de los equipos utilizados en la medida de las propiedades mecánicas de los polímeros

Los diseñadores de nuevos materiales utilizan sistemas de simulación por computadora para calcular la estructura tendría cierta combinación de átomos, y deducir de ella sus propiedades físicas y químicas. Esto les permite elabora los prototipos reales de aquellos modelos que tienen más posibilidades de poseer las propiedades buscadas, con e ahorro de tiempo y costes.

Una de las propiedades físicas que produce una buena cantidad de inventos sorprendentes en el campo de los nuevos materiales es la piezoelectricidad, descubierta hace ya más de un siglo por Pierre Curie. Consiste en la aparición, en las caras opuestas de un cristal, de cargas eléctricas de diferente signo cuando son estirados o comprimidos y, a la inversa, expandirse o contraerse al ser sometidos a cierta diferencia de potencial. Como ejemplo de aplicaciones de esta propiedad a campos de actividad dispares, pueden citarse dos; por un lado, la última generación de esquíes que disminuyen el riesgo de caídas cuentan con unas tiras de cerámica piezoeléctrica embebidas en la tabla, de forma que, durante el deslizamiento por una pendiente nevada, la vibración mecánica se convierte en una disipación de corriente eléctrica que, a su vez, se convierte en un incremento de la superficie del esquí en los bordes; al aumentar el tiempo que pasan los esquíes en contacto con la nieve se controla mejor el deslizamiento. Por otro lado, el efecto piezoeléctrico se está intentando aprovechar para desarrollar músculos artificiales, que formen parte de piernas y brazos ortopédicos con capacidad funcional.

Lámina delgada de YBCO, una de las cerámicas sup de alta temperatura

No sólo deporte y ortopedia se están beneficiando del uso de los nuevos materiales, también construcción, electrónic prácticamente todas las áreas de actividad industrial. En construcción, los puentes y edificios más avanzados cuentan insertos en las vigas y zonas estructurales, que detectan, en todo momento, el esfuerzo que están realizando, lo diagnosticar, de manera prematura, cualquier fallo y evitar la consiguiente catástrofe. En ingeniería, se están diseñan que cuentan con un componente que suelda perfectamente las microfisuras que se producen debido a los esfu revolucionará las industrias de construcción de automóviles y aviones, por citar sólo dos ejemplos. En electrónica, la de transistores orgánicos, basados en materiales que aúnen las excelentes propiedades de flexibilidad y facilidad de los plásticos con las propiedades semiconductoras del silicio, permitirán la fabricación de pantallas de televisión de gra se podrán enrollar como si de un póster se tratara, y colocarlas en cualquier parte; o papel electrónico, que podrá Internet y almacenar, por ejemplo, el ejemplar diario del periódico sin necesidad de recurrir al costoso y ecológicame tradicional. El descubrimiento de las cerámicas superconductoras de alta temperatura, capaces de transmitir la energ la disipación de energía producida por la resistencia, ha producido ya los primeros sensores superconductores, en solamente útiles en el ámbito científico, aunque ya se sueña con construir ordenadores superconductores. También s la consecución de materiales magnéticos de propiedades apropiadas para los discos duros y otros soportes de almac datos, más fiables, más pequeños y de mayor capacidad; y en sistemas alternativos de almacenamiento informático utilización de herramientas nanotecnológicas.

Microfotografía de uno de los componentes de los aceros, la perlita. Los ingenieros de materiales cambian las propiedades mecánicas del acero modificando su estructura interna

Comportamiento de una pieza de material foto expuesto gradualmente a la luz solar. Estos com muchas aplicaciones en el campo de la fotónic computacional como sensores luminosos, pu distinta absorción luminosa a distintas longitudes

Circuitos integrados de diversos tamaños, capacidades y prestaciones

Es precisamente esta ciencia, la nanotecnología, la que está avanzando a pasos agigantados en la búsqueda de nuev Se trata de una disciplina muy reciente que busca la consecución de pequeñas máquinas de tamaño molecula construir nuevos materiales átomo a átomo. Desde el descubrimiento, a finales de la década de los 80, de los primer moléculas de carbono puro que tienen la apariencia estructural de un balón de fútbol-, se han seguido obteniendo este tipo, algunas dotadas de propiedades mecánicas y eléctricas sorprendentes. Actualmente, los nanotubos, pequ conformadas con átomos de carbono puro, se están utilizando para diseñar todo tipo de ingenios de tamaño nan funcionan como diminutos robots de construcción de nuevos

Día a día se están descubriendo nuevos materiales, pese a todo, el número de combinaciones químicas que se puede el centenar de elementos de la tabla periódica es tan enorme que puede considerarse, con toda propiedad, que empezar a descubrir sus secretos. En un futuro próximo, nuestro entorno estará rodeado de objetos construido materiales, de propiedades maravillosas que actualmente sólo podemos sospechar, materiales construidos gracias a c suerte e intuición y muchas horas de diseño

http://www.mflor.mx/materias/temas/supercond/supercond.htm