Fomento de la colaboración hispano-china en ciencia e ingeniería de materiales: NPU-UPM Workshop on Advanced Materials and Devices


El NPU-UPM Workshop on Advanced Materials and Devices ha tenido lugar en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Northwestern Polytechnical University (NPU) entre el 1 y el 8 de abril, 2018.

Este taller ha sido organizado por Northwestern Polytechnical University y la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), ambas muy reputadas instituciones en el ámbito de la ingeniería y tecnología. En el taller han participado 22 profesores y además también estudiantes de ambas universidades, habiéndose impartido 22 presentaciones con formato de lección magistral. Las presentaciones han versado sobre materiales híbridos, grafeno, resonadores electroacústicos, materiales fibrilares, nanomateriales, etc. El taller ha generado nuevas ideas sobre tecnologías biónicas, celdas solares, superaleacciones, baterías, etc. Este taller pretende fomentar la colaboración investigadora entre ambos países.

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Categorias: Autor: G.R. Plaza, Docencia de la ingeniería y ciencia de materiales, Estudiando en el extranjero, Experiencias académicas y profesionales

La mujer en la Ciencia y Tecnología de los Materiales


Jornadas de la mujer en la Ciencia y Tecnología de los Materiales

Del 7 de febrero al 16 de mayo de 2018,  todos los miércoles de 10:45 a 14:00 h se van a llevar a cabo las Jornadas de la mujer en la Ciencia y tecnología de Materiales en la ETSI Caminos de la UPM. Son jornadas de divulgación científica sobre los últimos avances en Ciencia y Tecnología de Materiales,  protagonizado por mujeres.

 

 

Las jornadas se desarrollaran como sigue: tras una bienvenida se mostrarán los grados que se estudian en la ETS de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos (Ingeniería de Materiales, Ingeniería Civil e Ingeniería Civil + ADE). Posteriormente cada día, una asociadas de AMIT (Asociación de Mujeres Investigadoras y Tecnólogas) contará porque decidió esta carrera profesional. Se realizarán visitas a los laboratorios de investigación. Y posteriormente habrá cada día un seminario diferente de los Seminarios Internacionales de Fronteras de la Ciencia de Materiales, impartido por una científica.

 

El horario será el siguiente:

10:45 h. Recepción y bienvenida a la ETS de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos.

11:00 h. Presentación de los grados de Ingeniería de Materiales e Ingeniería Civil y Territorial. Preguntas y debate.

11:30 h. Vivécdotas desde AMIT: vivencias y anécdotas que llevaron  a diferentes  mujeres a dedicarse a la Ciencia y Tecnología de materiales. Preguntas y debate.

-        07/02/2018: Dra. Dª Mar Alonso López (Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC).

-        14/02/2018: Dª. Aurora López Delgado (Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas, CSIC).

-        21/02/2018: Dra. Dª. Irene García Díaz (Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas, CSIC).

-        28/02/2018: Dra. Dª. Carolina Piña Ramírez (ETS. de Edificación, Universidad Politécnica de Madrid.

-        7/03/2018: Dra. Dª. Alejandra Vidales Barriguete (ETS. de Edificación, Universidad Politécnica de Madrid).

-     14/03/2018: Dra. Dª. Marta Elena González Mosquera (Departamento de Química Orgánica e Inorgánica, Facultad de Farmacia, Universidad de Alcalá de Henares).

-        21/03/2018: Dra. Dª. Mª Victoria Martínez Huerta (Instituto de Catálisis y Petroquímica, CSIC).

-       11/04/2018: Dra. Dª. Francisca Puertas Maroto (Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC).

-       18/04/2018: Dra. Dª. Mª. Dolores Salvador Moya (Grupo de Investigación Materiales Cerámicos y Composites, Universitat Politècnica de València).

-        25/04/2018: Dra. Dª. Pilar López Sancho (Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, CSIC).

-        09/05/2018: Dra. Dª. Asunción García Escorial (Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas, CSIC).

 

12:00 h. Visita a los laboratorios la ETS de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la UPM.

 

13:00 h. Conferencia de los Seminarios Internacionales de Fronteras de la Ciencia de Materiales

 

-        07/02/2018: Raquel Cortés Gil

Óxidos magnetorresistentes en la vida diaria.

 

-        14/02/2018: María Victoria Biezma Moraleda

¿Por qué la fase sigma afecta a las propiedades mecánicas y frente a la corrosión de los aceros inoxidables dúplex?

 

-        21/02/2018: Raquel Verdejo

Materiales compuestos y nanocompuestos que no sabes que han cambiado tu vida.

 

-        28/02/2018: Rosalía Serna

Nanoestructuras luminiscentes y plasmónicas para aplicaciones fotónicas.

 

-        7/03/2018: Carmen Panadero Reyes

Edificios inteligentes y procesos inteligentes: nuevas tecnologías al servicio de la arquitectura y la construcción.

 

-        14/03/2018:  Marta Elena González Mosquera

Redes metalorgánicas: materiales para el siglo XXI.

 

-        21/03/2018: Marisol Martín González

Nano-engineering thermoelectric and the latest developments in nanoporous alumina templates: from swords to butterflies.

 

-        11/04/2018: Rocío Herrero

Diseño y desarrollo de micropartículas biodegradables para el tratamiento de patologías de la retina.

 

-        18/04/2018: Amparo Borrell y María Dolores Salvador Moya

Sinterización no convencional de cerámicas: de calentamientos rápidos a ecofriendly.

 

-        25/04/2018: Antonia Pacios Alvarez

Optimización en el diseño del hormigón: tradición más innovación.

 

-        09/05/2018: Maria Lluisa Maspoch

Alternativas a los residuos plásticos.

 

 

CLAUSURA 16/05/2018

10:45 h. Recepción y bienvenida a la ETS de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Presentación de los grados de Ingeniería de Materiales e Ingeniería Civil y Territorial.

11:15 h. Visita a los laboratorios la ETS de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la UPM.

12:00 h. Conferencia: La brecha de género en la investigación científica y tecnológica: situación y retos, por Francisca Puertas, CSIC.

12:45 h. Mesa redonda, con la participación de: Blanca Losada (Consejera Delegada Gas Natural Fenosa Engineering), Rosa Menéndez (Presidenta del CSIC), Paloma Fernández (Presidenta de la Federación Europea de Sociedades de Materiales-UCM), Sara Gómez (Consejera de la RAI,-UPM) y Asunción Gómez (Vicerrectora de Investigación, UPM).

 

Más información en https://eventos.upm.es/

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Las células estrenan “modelito”


Por Blanca González Bermúdez (Universidad Politécnica de Madrid)

Cuando se habla de la célula, de su estructura, funciones, interacciones o posibles patologías, se mantiene muchas veces un enfoque bioquímico: el gen X codifica una proteína que regula el gen Y, el cual, a su vez, codifica la proteína Z, y así sucesivamente. Es natural que esto ocurra, ya que la biología celular se ha basado en principios bioquímicos -moleculares y genéticos-, para explicar el funcionamiento de las células. Pero, como siempre, la naturaleza hace las cosas un poco más complicadas.

El caso es que desde los años 70 sabemos que una buena parte de los procesos celulares están relacionados también con el comportamiento mecánico de las células. Por ejemplo, los glóbulos blancos se activan y se vuelven más deformables cuando detectan una infección. Ciertas enfermedades, como la malaria, provocan un aumento en la rigidez de los glóbulos rojos, y se ha observado que las células cancerosas se vuelven más flexibles, y por ello migran con mayor facilidad, que las células sanas. Aún más, las células son capaces de detectar la rigidez y las fuerzas mecánicas de su entorno. Una misma célula madre, por ejemplo, se puede diferenciar en una neurona o en un miocito cambiando simplemente la rigidez del sustrato.

En definitiva, se ha podido constatar que las propiedades mecánicas de las células pueden emplearse como biomarcadores del estado celular. Partiendo de esta idea, se han desarrollado en las últimas décadas varias técnicas experimentales para estudiar el comportamiento mecánico de la célula y las fuerzas que ejerce sobre su entorno: la microscopía de fuerza atómica, la aspiración con micropipeta, la citometría óptica y magnética, o la microscopía de fuerzas de tracción, entre otras.

En el laboratorio de Biomateriales (CTB-UPM), hemos puesto a punto la técnica de aspiración con micropipeta, que nos ha servido para comparar las propiedades mecánicas de células en distintas condiciones. Con este procedimiento podemos aspirar las células en suspensión mediante un microcapilar de vidrio, aplicando una diferencia de presión entre el interior del microcapilar y la muestra de células. Las imágenes del ensayo de aspiración se procesan automáticamente en un ordenador y obtenemos así la longitud aspirada de la célula en el interior del microcapilar en cada instante.

Pero nos quedaba una barrera pendiente: ¿qué modelo mecánico emplear en nuestros experimentos? En una célula hay diferentes orgánulos contenidos en el citoplasma, conectados entre sí por un entramado muy complejo, que apenas ahora estamos cartografiando con detalle. Esto ha supuesto que se hayan generado múltiples modelos mecánicos de la célula, si bien el desarrollo de un modelo que describa de manera integral el complejo comportamiento de las células sigue suponiendo un desafío en la actualidad. Para la técnica de aspiración con micropipeta, hay modelos que asumen que la célula se comporta como un sólido elástico lineal incompresible en pequeñas deformaciones, y que permiten calcular el módulo elástico de la célula en función de la presión y longitud aspirada en la micropipeta.  También existen modelos para grandes deformaciones, que analizan la viscosidad aparente de las células asumiendo un comportamiento de fluido viscoso Newtoniano. Sin embargo, nos resulta curioso que los modelos más empleados para la aspiración de células con micropipeta no tengan en cuenta el tamaño finito de las células ni el contacto con la micropipeta. Además, asumen que las células son imcompresibles, es decir, que tienen un coeficiente de Poisson de 0,5.

Figura 1. Simulación numérica de la aspiración de células con micropipeta.

Con la intención de proponer una mejora en los modelos existentes para la aspiración de células con micropipeta, hemos desarrollado una metodología que permite calcular el módulo elástico y el coeficiente de Poisson de la célula aspirada. En este modelo numérico axisimétrico, de elementos finitos, consideramos el contacto de la célula con la micropipeta, mediante un radio de acuerdo, y hemos hallado una relación no lineal de la longitud aspirada de la célula con respecto a la presión de aspiración (figura1). También hemos comprobado que, empleando este modelo en ensayos de linfocitos, los valores del módulo elástico y coeficiente de Poisson que obtenemos son razonables para este tipo de células.

Los siguientes pasos de nuestra hoja de ruta van dirigidos a lograr automatizar aún más la técnica de aspiración de células con micropipeta, con el fin de aumentar el número de células analizadas por hora, de forma que un futuro pudiera aplicarse este modelo de trabajo al estudio de la deformabilidad de linfocitos T como biomarcador de la edad y funcionalidad.  Pero eso es otro cantar.

Mientras llega ese momento, podemos al menos afirmar que las células ya pueden lucir “modelito” nuevo esta temporada.

Referencias:

  •  Rosowski K. Introduction to Cell Mechanics and Mechanobiology. The Yale Journal of Biology and Medicine. 2013;86(3):436-437.
  •  Worthen, G. S., Schwab, B. I. I. I., Elson, E. L., & Downey, G. P. (1989). Mechanics of stimulated neutrophils: cell stiffening induces retention in capillaries. Science, 245(4914), 183-186.
  •  Suresh, S., Spatz, J., Mills, J. P., Micoulet, A., Dao, M., Lim, C. T., … & Seufferlein, T. (2015). Reprint of: connections between single-cell biomechanics and human disease states: gastrointestinal cancer and malaria. Acta biomaterialia, 23, S3-S15.
  •  Suresh, S. (2007). Biomechanics and biophysics of cancer cells. Acta Materialia, 55(12), 3989-4014.
  •  Engler, A. J., Sen, S., Sweeney, H. L., & Discher, D. E. (2006). Matrix elasticity directs stem cell lineage specification. Cell, 126(4), 677-689.
  •  Di Carlo, D. (2012). A mechanical biomarker of cell state in medicine. Journal of Laboratory Automation, 17(1), 32-42.
  •  Bao, G., & Suresh, S. (2003). Cell and molecular mechanics of biological materials. Nature materials, 2(11), 715-725.
  •  Plaza, G. R., Marí, N., Gálvez, B. G., Bernal, A., Guinea, G. V., Daza, R., … & Elices, M. (2014). Simple measurement of the apparent viscosity of a cell from only one picture: Application to cardiac stem cells. Physical Review E, 90(5), 052715.
  •  Hochmuth, R. M. (2000). Micropipette aspiration of living cells. Journal of biomechanics, 33(1), 15-22.
  •  Esteban-Manzanares, G., González-Bermúdez, B., Cruces, J., De la Fuente, M., Li, Q., Guinea, G. V., … & Plaza, G. R. (2017). Improved Measurement of Elastic Properties of Cells by Micropipette Aspiration and Its Application to Lymphocytes. Annals of biomedical engineering, 45(5), 1375-1385.
  •  Inner life of the cell: https://www.youtube.com/watch?v=FzcTgrxMzZk

 

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Categorias: Autora: B. González Bermúdez, Biomateriales, Materiales blandos, Simulación numérica

Arsénico por compasión


Por Patricia Muñoz, Ingeniera de Materiales e investigadora en CIEMAT

 

Cuando uno piensa en el arsénico, lo primero que piensa es en un veneno, que aparece en numerosas películas y libros. Incluso personajes históricos como Napoleón, se cree que pudo morir de envenenamiento por Arsénico, puesto  que se descubrieron cantidades elevadas de arsénico en muestras de su cabello.

Sin embargo tiene multitud de usos y es indispensable para la vida.

 

Mort de Napoléon, tableau de Charles de Steuben (vers 1828).

Fuente: Wikipedia

 

¿Qué es el arsénico? 

El arsénico es un elemento químico de la tabla periódica que pertenece al grupo de los metaloides, de numero atómico 33.  El arsénico es un elemento natural ampliamente distribuido en la corteza terrestre. En su forma natural es sólido. Se combina con oxígeno, cloro y azufre para dar lugar a numerosos compuestos inorgánicos de arsénico.

 

¿En qué se usa?

Se utiliza como dopante de los semiconductores, como conservante de la madera ya que elimina bacterias, hongos y microorganismos, se usa conjuntamente con plomo para las baterías de los coches, se usa en medicina en medicamentos contra la soriasis o el cáncer o como elemento de contraste para imagen por diagnóstico. En el pasado se usó para fabricar pesticidas, para fabricar vidrio, como colorante y se usaron como armas biológicas durante algunas guerras (l Guerra Mundial o la Guerra de Vietnam).

 

Trióxido de arsénico contra la leucemia promielocítica aguda

Adaptado de la Fuente http://www.arsenalterapeutico.com

 

¿Es tóxico o indispensable para la vida?

Es un elemento esencial para la vida y su deficiencia puede dar lugar a diversas complicaciones.De hecho, investigadores de la NASA encontraron en el Lago Mono en California, una bacteria que viven en arsénico sustituyendo el fósforo con arsénico y lo incorporaban a su ácido desoxirribonucleico (ADN).Esto abre la posibilidad de que existan formas de vida en otros planetas que no tienen fósforo en la atmósfera.

Sin embargo el arsénico puede llegar a ser tóxico, sobre todo lo son los compuestos del como el trióxido de diarsénico (As2O3).

La intoxicación por Arsénico puede provocar irritación estomacal y de la piel,  disminución en la producción de glóbulos rojos y blancos, irritaciones en la piel y en los pulmones, daños cerebrales y neuronales.

La toxicidad del arsénico ha estado muy presente en la historia, literatura y cine.

Por ejemplo, el arsénico era el veneno usado por los Borgia para eliminar a sus enemigos. Al veneno se le conocía con el nombre de La Cantarella o Acquetta di Perugia, mezcla de arsénico con vísceras de cerdo.

El arsénico formaba parte de los pigmentos de pinturas, y se cree que pudo influir en los problemas neurólogicos de Van Gogh, aunque también podía ser intoxicación por plomo, sífilis, etc.

En la literatura nos encontramos con que Madame Bovary, protagonista de la famosa novela de Flauvert, se suicida con Arsénico, y es la sustancia preferida por Agatha Christie para envenenar en sus novelas.

Y por último la película protagonizada por Cary Grant “Arsénico por compasión” una comedia donde el arsénico mezclado con vino tiene un papel protagonista.

 

Cartel de la película “Arsénico por compasión”

Adaptado de Fuente: http://leelibros.com/biblioteca/index.php?q=arsenico_por_compasion

 

Fuentes:

 

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Categorias: Autora: P. Muñoz

Materiales en ITER


Por Patricia Muñoz, Ingeniera de Materiales e investigadora en CIEMAT

Esta entrada hace referencia a ITER, uno de los mayores proyectos científicos, en el que intervienen varios países. Su objetivo es demostrar que es posible la fusión nuclear y que se puede aprovechar de una manera comercial. El reactor de fusión ITER que se está construyendo actualmente en Francia alcanzará su “primer plasma” en 2025, cinco años después de lo previsto.

El objetivo es generar energía de un modo similar al que se genera en el sol, mediante la fusión de dos núcleos de hidrógeno para generar helio: dos núcleos atómicos se unen para dar lugar a otro núcleo con mayor masa. Generalmente esta unión va acompañada con la emisión de partículas (en el caso de núcleos atómicos de deuterio se emite un neutrón) y energía.

Reacción de fusión

Por lo tanto el combustible para los reactores de fusión será una mezcla de deuterio y tritio. Este combustible se calentará a millones de grados formando un plasma caliente. El dispositivo central del ITER es un tokamak, es decir el plasma se confina magnéticamente en una cámara de vacío toroidal. Los fuertes campos magnéticos son producidos por bobinas superconductoras que rodean la cámara.

La elección de los materiales para ITER ha sido una tarea complicada y controvertida. Hay que tener en cuenta la complejidad de la operación y los múltiples factores que hay que estudiar para validar su uso en ITER. La evolución de la microestructura en un reactor de fusión puede llevar a la degradación de las propiedades físicas: disminución de la conductividad térmica y eléctrica y degradación de las propiedades mecánicas. La formación de gas puede causar un hinchamiento macroscópico del material, dando lugar a una pérdida de estabilidad dimensional. Estos efectos son los principales factores que limitan la elección de los materiales candidatos para los reactores de fusión. Además de una buena resistencia al daño por radiación, los materiales deben mostrar alta capacidad de resistencia térmica, larga vida útil, alta fiabilidad y fabricación sencilla con un coste razonable.

Sección transversal de la vasija del ITER y componentes más importantes

Vasija de vacío

 La vasija de vacío es  una estructura de doble pared con forma de toroide de acero en cuyo espacio interior se confina el plasma, confinado mediante intensos campos magnéticos producidos por bobinas superconductoras. La primera pared se fabricará de berilio. A continuación habrá una pared  de cobre para  refrigerar el berilio y todo ello estará acoplado a una estructura de acero inoxidable.

Este componente proporciona una barrera adecuada para la generación y el mantenimiento de vacío, necesario para limitar la cantidad de impurezas dentro del plasma. Actúa como escudo contra los neutrones y consta de diversas aperturas para los sistemas de calentamiento, equipos de vacío o refrigeración y puertos de control del plasma.

Divertor

La parte inferior, el divertor, estará constituido por una serie de piezas desmontables que tendrán contacto directo con el plasma. Se encargará de limpiar el plasma de impurezas, como pueden ser las que se produzcan por la interacción entre el plasma y la primera pared. Esta parte del reactor es la que tendrá que aguantar la mayor carga energética de toda la vasija de vacío y para ello se recubrirá de wolframio. Estos elementos se encuentran rodeados por una gran estructura de acero, el criostato, que mantiene el conjunto térmicamente aislado.

Sistema magnético

 

Para confinar el plasma se utilizan campos magnéticos producidos por varios electroimanes incluyendo un solenoide central alrededor de la vasija. Se espera que sea necesario un campo magnético elevado, por lo que los solenoides (o bobinas) de los electroimanes se construyen con materiales superconductores y para conseguir la superconductividad están refrigerados por helio líquido a –268,5ºC mediante bombas de circulación que operan a temperaturas criogénicas.

Sistemas de instrumentación de ITER

Hay una serie de sistemas de instrumentación que son necesarios para lograr tener plasma en el interior del reactor y para el correcto funcionamiento de los componentes de ITER. Entre ellos destacamos los sistemas de diagnóstico. Estos sistemas usan mayoritariamente materiales cerámicos como elementos aislantes en cables, bobinas, sondas y pasa-muros o como medio de transmisión para señales ópticas y magnéticas.

Breeder blanket

No es objetivo de ITER el uso de un manto fértil (generador de tritio por bombardeo neutrónico del litio), pero habrá módulos de prueba para probar la generación de tritio al final del proyecto candidatos a ser usados después en el proyecto DEMO (siguiente paso tras el proyecto ITER). Este elemento es clave para el proceso de fusión, puesto que deberá autogenerar la cantidad de tritio necesaria para el funcionamiento del reactor, haciendo viable la fusión como fuente de energía.

El tritio, que apenas está presente en los recursos naturales, se obtiene mediante la reacción nuclear de un medio que contiene Li con los neutrones rápidos procedentes del plasma.

El manto (blanket) consiste en una serie de módulos con un sistema de anclaje mecánico que permite su unión con la vasija de vacío y cuyas principales funciones son la protección para los electroimanes y demás elementos contra las altas temperaturas y la radiación, además de ser el elemento donde se frenan los neutrones, transformándose su energía cinética en calor, que será recogido por el sistema de refrigeración.

El acero que se va a emplear como material estructural de estos módulos es el acero inoxidable 316LN y se harán pruebas con el acero ferrítico/martensítico Eurofer.

Para ITER se han propuesto varios tipos diferentes de envolturas con distintos materiales:

  • HCLL (Helium Colled Lithium Lead), que usa LiPb como generador de tirio y como multiplicador neutrónico y EUROFER y aleaciones W como material estructural.
  • HCPB (Helium Cooled Pebble Bed), Usa cerámicas de Li4SiO4 o LiTiO3 como generador de Tritio, berilio como multiplicador y EUROFER como material estructural.
  • DCLL (Dual Coolant Lithium Lead),Usa helio como refrigerante de la primera pared y PbLi actúa de segundo refrigerante. El cual está asilado térmicamente y eléctricamente del material estructural mediante flow channels inserts.
  • WCCB ( Water Cooled Ceramic Breeder), usa cerámicas de Li2TiO3 como generador de Tritio, berilio como multiplicador y acero F82H como material estructural.
  • HCCB ( Helium Colled Ceramic Breeder), usa cerámicas de Li4SiO4 como generador de Tritio , berilio como multiplicador neutronico y aceros ferriticos martensiticos como material estructural.
  • LLCB ( Lithium Lead Ceramic Breeder), usa cerámicas de Li2tio3 y aleación de LiPB como materiales generadores de Tritio. Hay dos refrigerantes, helio para la primera pared y aleación LiPB para refrigerar las cerámicas.  Este concepto usa recubrimientos cerámicos para los canales de LiPb.

Ciclo del Tritio en un reactor de fusión

Fuentes en la web:

http://www.iter.org/ (Web del proyecto ITER)

http://fusionforenergy.europa.eu/

http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2016/05/03/133018

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Categorias: Autora: P. Muñoz, Cerámicos y vidrios, Materiales metálicos

Los materiales de las Olimpiadas


Por Patricia Muñoz, Ingeniera de Materiales e investigadora en CIEMAT

Con motivo de las Olimpiadas de Río de este verano, en esta entrada hemos querido hablar de la importancia que tienen los materiales, ya sea de los trajes de los deportistas o de los útiles que se utilizan en los mismos. La introducción de nuevos materiales en algunos deportes ayudó a batir records, cambió la forma de practicar dicho deporte y, lo más importante, mejoró la seguridad de los deportistas. Aunque son muchos los materiales utilizados dada la diversidad de los deportes, aquí presentamos algunos de los casos más controvertidos.

Trajes de baño de poliuretano que baten records

En 2010 la Federación Internacional de Natación (FINA) prohibió los trajes confeccionados con poliuretano y desde entonces no se pueden utilizar trajes enteros. Este material, empezó a usarse en 2008, en forma de placas, permitiendo que los nadadores que usaban bañador fabricado con ese material mejoraran sus marcas de un modo considerable (en 18 meses se rompieron más de 100 récords de natación), que hizo replantearse su uso. El Poliuretano, se basa en la combinación de dioles (HO-R-OH) y diisocianatos (NCO-R’-NCO). Los dioles proporcionan un carácter elástico, flexible y tenaz al material, que es menos denso que el agua. Esto hace que ofrezca mayor flotabilidad. Además los trajes se fabricaban con una estructura que presionaba al cuerpo en la posición central facilitando al nadador adquirir una posición más hidrodinámica.

Phelps ganó ocho medallas de oro en Beijing 2008 vistiendo el bañador con poliuretano.

Balón Jabulani: reaprender a jugar

Ingenieros de la Universidad de Loughborough, en Reino Unido, diseñaron el balón Adidas Jabulani, oficial en la Copa Mundial de la FIFA en Sudáfrica. El balón Jabulani se moldea a partir de paneles de etileno-acetato de vinilo y otros materiales como poliuretanos termoplásticos, otro grupo de plásticos flexibles. Los ocho paneles que lo forman están unidos térmicamente en lugar de ser cosidos. El resultado es la redondez muy cercana a la de una esfera perfecta. Pasó cuatro años de pruebas, como por ejemplo de lanzamiento en un túnel de viento para ver cómo la pelota respondía a inestabilidades aerodinámicas. Se investigó cómo la anchura de la ranura, la profundidad y la forma pueden afectar a las fuerzas aerodinámicas laterales. El diseño final introduce una nueva textura, marca registrada como “Grip ‘n’ Groove”, y un nuevo proceso de fabricación. Según los investigadores, es una pelota que viaja 5% más rápido que las anteriores. Sin embargo los jugadores expresaron la impredecibilidad del objeto en el aire, sus piques extraños al caer al suelo, demasiada ligereza y trayectorias irregulares. Finalmente, la marca Adidas desarrolló nuevos modelos.

Balón Adidas Jabulani.

Materiales en las raquetas de tenis

La evolución de los materiales en algunos deportes, ha hecho cambiar la forma de juego. Un buen ejemplo es el tenis. Al principio las raquetas se fabricaban de madera y eran menos manejables. Al ser el marco más pesado, el tamaño era menor, lo que hacía muy importante la técnica. Al ir variando los materiales hasta llegar a las de material compuesto (con refuerzo de fibra de carbono o incluso de titanio y otros refuerzos adicionales como partículas cerámicas) de hoy cuyo peso se ha visto reducido notablemente, la fuerza aplicada es mayor y el juego es más rápido y dinámico.
Resumiendo rápidamente, la evolución de los materiales: la madera se usaba en las primeras raquetas siendo la más común la de fresno. El principal problema era el peso y la poca durabilidad. Por ello se introduce el acero que le da más durabilidad y rigidez, pero sigue siendo muy pesada. En los años 1970 se introduce el aluminio, lo que hace que sean más ligeras. En la década de 1980 llegaron las raquetas de material compuesto, con refuerzo de fibra de carbono. Estas raquetas eran más ligeras y resistentes, pero caras para el público general. Mezclando la fibra de carbono con la de vidrio se logró disminuir el precio. A finales de la década de 1990 aparece con fuerza el empleo de titanio, muy resistente y ligero.

Raqueta de madera y moderna raqueta de titanio.

Accidentes que cambiaron los materiales en esgrima

Vladimir Smirnov, esgrimista que participó en las olimpiadas de Moscú en 1980 ganando tres medallas, murió trágicamente en los mundiales de Roma 1982 cuando la hoja del florete de su oponente se rompió, está rompió la máscara de Vladimir penetrando en su ojo hasta llegar al cerebro. Este trágico suceso y otros accidentes provocaron cambios en los requisitos de seguridad de este deporte. Principalmente afectaron a los materiales con los que se fabricaba el traje, que pasó a ser de kevlar o nylon, y a los de las espadas que dejaron de fabricarse de acero al carbono.
Para encontrar el material perfecto para estas hojas hay que tener en cuenta que están sometidas a esfuerzos de flexión e impacto altos que generan tensiones en su superficie durante el combate. El proceso de fabricación de una hoja de esgrima debe realizarse según normas FIE teniéndose que doblar 250º, en lugar de los 40º del periodo anterior, antes de romperse. La hoja deber ser remplazada después de cualquier pliegue en V aunque no esté rota.
El acero maraging es el utilizado hoy en día para estas hojas, su precio es muy elevado pero las prestaciones son superiores a las del acero al carbono. Es un tipo especial de acero con alto contenido de níquel. En su procesado se incluye un enfriamiento rápido (templado) que permite obtener una estructura dura conocida como martensita. La ductilidad y tenacidad de esta martensita es el resultado de su bajo contenido de carbono que es inferior a 0.03%. Este material es reforzado con componentes intermetálicos cono Ni3Ti y Ni3Mo que precipitan alrededor de 500ºC para causar el endurecimiento produciendo características únicas de dureza.

Esgrimista produciendo la flexión de la hoja de su espada. Imagen del VI Campus Internacional Esgrima, Almería 2013 (adaptado de www.blog.esgrimamurcia.com).

Materiales de las medallas olímpicas

Para terminar la entrada con la alegría que acompaña a los ganadores olímpicos, hablaremos del material de las medallas olímpicas. La medalla de oro, desde las olimpiadas de Estocolmo en 1912 ya no se fabrica en oro, sino de una aleación de oro, plata y cobre (1,34% de oro, 92,5% de plata y el resto de cobre). La medalla de plata, sí es fundamentalmente de plata (92,5% de plata y 7,5% de cobre u otro material mejor valorado como el bronce.) El bronce es una aleación metálica de cobre y estaño, en la que el estaño supone típicamente entorno al 12% del material. La medalla de bronce tiene un pequeño contenido de estaño, ya que se compone de un 97% de cobre, un 2,5% de zinc y un 0,5% de estaño.
Las de Río 2016 pesan en total unos 500 gramos, son las más pesadas de la historia olímpica y las más grandes, realizadas así para hacerlas más visibles.
Las medallas de oro tienen un precio aproximado de 500 euros, aunque su valor real es mucho mayor para el deportista o para coleccionistas que después las compran. Como curiosidad en estas olimpiadas de Río 2016, la cinta de la que cuelgan esta realizado de un plástico procedente de botellas de plástico.

Anverso y reverso de las medallas de los Juegos Olímpicos de Río 2016.

Enlaces

- Juegos Olímpicos de Río, www.rio2016.com.

- Proceso de fabricación de las medallas:  https://www.youtube.com/watch?v=8SDI_MqtmWQ.

- Bañadores de poliuretano: http://aislaconpoliuretano.com/el-poliuretano-en-nuestra-vida-los-banadores-de-poliuretano.htm

- Proceso de fabricación del balón Adidas Jabalani: https://www.youtube.com/watch?v=zbLjk4OTRdI&NR=1.

 

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Categorias: Autora: P. Muñoz, Docencia de la ingeniería y ciencia de materiales

Materiales para un ascensor espacial


Por Patricia Muñoz, Ingeniera de Materiales

Aún no disponemos de los materiales que permitan construir un ascensor espacial para conectar la superficie de la tierra con una órbita geoestacionaria.
Es una idea que investigadores de todo el mundo han tenido en mente desde hace tiempo, sin haber encontrado aún una solución práctica para llevarlo a cabo. En 1895, Konstantin Tsiolkovski, en su libro “Especulaciones sobre la Tierra y el cielo”, calculaba que en extremo de una torre cuya altura fuese unos 36000 km los cuerpos parecerían no tener peso, como ocurre con los astronautas en el interior de estaciones que orbitan la Tierra. La altura de 36000 km corresponde a la de las órbitas geoestacionarias, en las que se sitúan la mayoría de satélites. En 1960, el ingeniero ruso Yuri Artsutanov, en un artículo titulado “Al espacio en una locomotora eléctrica” explicaba que los astronautas usarían una nave de propulsión eléctrica que subiría en días al espacio, guiada por un cable como si fuera un raíl aunque reconocía que la resistencia a la tracción que debía tener el material utilizado para su construcción hacía imposible su realización práctica.

Artículo de 1960 de Yuri Artsutanov proponiendo ascensor espacial (1).

Esta idea es recurrente en ciencia ficción. Aparece por ejemplo en la franquicia de videojuegos “Halo” y en el libro “Los viajes de Tuf” del escritor de “Canción de hielo y fuego”, George R. R. Martin.

Un ascensor espacial tendría una masa contrapeso a una altura mayor de la órbita geoestacionaria, lo cual permitiría mantener de forma estable el cable, evitando que se enrollara sobre la Tierra debido al movimiento de rotación de nuestro planeta. Para mantener el equilibrio de la estructura, se situaría el anclaje en algún punto lo más cerca posible del ecuador, para minimizar los efectos de tensión por la diferencia entre la rotación de la Tierra y la órbita geosincrónica del ascensor. Una vez instalado el cable en su lugar, podrían subir y bajar por él naves y cargas a un coste relativamente más barato que el que supone actualmente el lanzamiento de una nave.

Esquema de un ascensor espacial.

Existe un informe publicado por la Academia Internacional de Astronáutica (IAA) en el que se expone que los ascensores harían más viable y segura la exploración espacial. Las cabinas ascenderían por el cable a una velocidad de unos 200 kilómetros por hora, por lo que serían necesarios unos siete días para recorrer la distancia total del ascensor. Menos tiempo y más barato que propulsar una nave hasta la ISS.

El problema infranqueable llegó al buscar un material que pudiera resistir la fuerza de tracción que aparecería en el cable. Se ha estimado que la tensión podría ser de unos 50 GPa, muy superior a la resistencia de los materiales estructurales actuales. Con el descubrimiento del grafeno y el desarrollo de los nanotubos de carbono se pensó que se podría haber encontrado el candidato perfecto. La resistencia de una malla de nanotubos de carbono, de un átomo de espesor, es de 100 GPa.

Formación de un defecto en un nanotubo de carbono sometido a tracción. (a) Situación inicial; (b) rotura de un enlace; (c) rotura de dos enlaces; (d) formación del defecto (5-7-7-5). Simulación usando dinámica molecular. (Para más detalles ver Bernholc, cap. 15 del libro Fiber Fracture, M. Elices y J. Llorca Eds.).

Nanotubos de carbono con defectos (2).

El problema al pensar en emplear estos materiales a base de carbono para construir un cable es que un pequeño defecto en la malla de átomos puede reducir las propiedades considerablemente (2). Este mismo año, se ha publicado en la revista ACS Nano un estudio de la Universidad Politécnica de Hong Kong donde han introducido defectos en una estructura de nanotubos de carbono y han observado ese detrimento en las propiedades (3).

De momento, podemos conformarnos con proyectos de empresas como Thoth Technology que ha patentado un modelo de ascensor que llegaría hasta 20 km sobre la superficie de la Tierra con una estructura parcialmente inflable (4).

Más información sobre ascensores espaciales en la ref. (1).

Referencias y enlaces:

1. www.spaceward.org.
2. Manuel Elices 2012, “Nanomateriales (3): la fibra ideal”, Blog materiales al día
3. Liyan Zhu, Jinlan Wang, and Feng Ding 2016, ”The Great Reduction of a Carbon Nanotube’s Mechanical Performance by a Few Topological Defects”, ACS Nano, 2016, 10 (6), pp 6410–6415.
4. Ver noticia en http://thothx.com/news-2/.
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La Instalación Internacional de Irradiación de Materiales


Por Patricia Muñoz, Ingeniera de Materiales

En esta ocasión queremos acercar a los lectores del blog hasta la Instalación Internacional de Irradiación de Materiales, IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility), que es una instalación de pruebas para materiales candidatos para el futuro prototipo de reactor de fusión nuclear DEMO (Demonstration Power Plant), proyecto que en torno al año 2030 sucederá al ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Por lo tanto, es una instalación de enorme interés para las personas que trabajamos en el desarrollo de este tipo de materiales.
IFMIF generará un flujo de neutrones con una energía alrededor de 14 MeV, gracias a dos aceleradores de deuterones paralelos, para obtener condiciones de radiación comparables a los de la primera pared de un reactor de fusión. El proyecto IFMIF se inició en 1994 como un programa de investigación científica internacional, llevado a cabo por Japón, la Unión Europea, Estados Unidos y Rusia, y está gestionado por la Agencia Internacional de la Energía.

En DEMO, como en las futuras centrales de fusión, las reacciones de fusión nuclear de deuterio y tritio generarán una gran cantidad de neutrones con una energía de 14.1 MeV, que chocarán con los materiales de la vasija del reactor. El estudio de la degradación de las propiedades mecánicas de los materiales a lo largo de la vida útil del reactor es un parámetro clave en el diseño que conducirá a diseñar componentes más resistentes a la radiación.

Esquema de la instalación (fuente: IFMIF)

Las principales contribuciones que se esperan de IFMIF se pueden resumir en lo siguiente:

• proporcionar datos para el diseño de DEMO y futuros reactores de fusión.
• contribuir a la selección o la optimización de los diferentes materiales de fusión centrándose principalmente en la respuesta a la radiación.
• Pruebas de materiales funcionales complementarios a los materiales para ITER.

Los interesados en obtener más información pueden consultar las páginas de la web del centro: www.ifmif.org

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Teslaforesis


Por Patricia Muñoz, Ingeniera de Materiales

Nikola Tesla es uno de los científicos e inventores más influyentes en la historia de la ciencia y uno de sus grandes sueños era la transmisión de energía sin necesidad de usar cables, igual que la transmisión de información en el caso de la radio. En 1891 patentó la bobina de Tesla, un tipo de transformador resonante compuesto por una serie de bobinas de Tesla que crean diferencias de potencial muy elevadas, produciendo producir descargas eléctricas con un alcance del orden de varios metros.

Científicos de la Universidad Rice, dirigidos por el investigador Paul Rice Cherukuri, han llevado al campo de la nanotecnología la bobina inventada por Tesla. Aplicando el campo electromagnético generado por una bobina Tesla a nanotubos de carbono, estos se autoensamblan en cables largos formando una red. A este fenómeno lo han llamado “teslaphoresis”. La bobina de Tesla genera un campo eléctrico que oscila y que hace que las cargas positivas y negativas de cada nanotubo oscilen y atraigan a las de los nanotubos cercanos siendo el resultado que la materia forme cables y transmita electricidad sin tener que tocarla.

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Fig. 1. (A) Nanotubos son atraídos a la fuente de un campo Tesla en uno de los laboratorios de la Universidad de Rice. (B) El material se autoensambla en hilos y es capaz de alimentar circuitos LED (Figuras adaptadas de la ref. 2).

Como se observa en el experiemento, la corriente alterna de la bobina polariza las piezas de nanotubos, que se alinean de inmediato y forman cadenas y conectándolos a LEDs son capaces de transmitir una corriente eléctrica a ellos.

El equipo dirigido por Paul Rice Cherukuri acaba de publicar sus resultados en la revista ACS Nano.

Referencias:

1. Artículo en la revista ACS Nano.

2. Noticia en la web de la Universidad de Rice.

3. Vídeo del experimento.

 

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Material para detectar alimentos en mal estado


Por Patricia Muñoz, Ingeniera de Materiales

El desarrollo de materiales funcionales flexibles, utilizando componentes orgánicos, permite obtener dispositivos electrónicos apropiados para aplicaciones en las que su deformabilidad es importante, como es el campo biomédico.

En el blog nos hacemos eco de la noticia de que un grupo de investigadores de la Universidad de Yamagata en Japón han desarrollado un pequeño dispositivo capaz de identificar la descomposición de los alimentos, lo que evitaría posibles casos de intoxicación por mal estado de los alimentos.

El dispositivo de pocos centímetros de longitud se fabrica por impresión de un material semiconductor sobre un sustrato plástico. Este sensor funciona detectando la histamina, sustancia que se forma durante el proceso de descomposición de la carne y de los alimentos en general.

Imagen del dispositivo (adaptado de la ref. 2).

Este dispositivo aún es un prototipo pero se espera que se comercialice en unos tres años, además se investiga como integrarlo en envoltorios de alimentos para que sean estos envoltorios los que detecten de manera automática el estado de los alimentos.

Referencias:

1. Página web del Prof. Tokito.

2. Noticia en Nikkei Asian Review.

 

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