Archivo de julio, 2012

Materializando el cuaderno de verano

Cristina Fernández Alonso (alumna de tercer curso del Grado en Ingeniería de Materiales por la Universidad Politécnica de Madrid)

A pocos meses de haber finalizado las clases, semanas de los exámenes ordinarios y días de los temidos extraordinarios, saboreamos esa época del año en que las preocupaciones académicas parecen desvanecerse; aparcadas hasta los primeros días de septiembre. No obstante, a pesar de esas inagotables ganas de descansar de la biblioteca, ideas sobre materiales recorren nuestra mente incluso en verano.

Es hora de reemplazar esa palidez propia de la única exposición lumínica del flexo por un bronceado de playa, de piscina o de montaña. No sin antes recordar que la exposición prolongada a los rayos ultravioletas igual que beneficiosa por el aporte de una dosis extra de vitamina D para calcificar los huesos o mejorar nuestro estado anímico por el estímulo de los neurotransmisores cerebrales, puede tener un efecto negativo ocasionándonos quemaduras y en el peor de los casos desembocando en un cáncer de piel.

Y aquí entra en juego la nanotecnología. Todas esas cremas solares que invaden los anuncios de esta época del año llevan su firma. El uso de pigmentos constituidos por nanopartículas ha dado lugar a compuestos con una elevada capacidad para absorber la radiación ultravioleta, con un espectro mayor de protección contra los rayos solares.

Los electrones presentes en los semiconductores, no se encuentran ligados a átomos concretos, sino que forman parte del conjunto del cristal, lo que hace que haya numerosos niveles de energía disponibles a los que los electrones pueden pasar excitándose mediante la absorción de diferentes radiaciones. Sin embargo, cada material presenta una longitud de onda característica por encima de la cual no puede absorber la luz, ya que los fotones con esas longitudes tienen menor energía que la de la banda prohibida del mismo y, por tanto, no pueden hacer que los electrones se exciten.

Los compuestos inorgánicos utilizados en estas cremas solares, dióxido de titanio y óxido de cinc, permiten absorber prácticamente la radiación procedente de todo el espectro de luz ultravioleta (cuyas longitudes de ondas están aproximadamente entre 15 y 380 nm), ya que tienen una banda prohibida de 3,2 eV y 3,37 eV respectivamente (por lo tanto absorben radiación con longitud de onda de hasta 390nm y 370nm).

El indeseado color blanquecino de las antiguas cremas solares, era originado por partículas de ZnO y TiO2 con tamaños superiores a 200nm, que dispersaban todas las longitudes de onda del espectro visible traduciéndose en ese color blanco.

La nanotecnología ha conseguido que el diámetro de las nanopartículas sea mucho menor que la longitud de onda de la luz visible convirtiendo a estas cremas en imperceptibles para el ojo humano por ser atravesadas por la luz visible y, gracias a su pequeño tamaño, todas la partículas encajan unas con otras facilitando su absorción, por lo que la piel resulta mejor protegida.

Otro complemento indispensable para nuestra exposición al sol son las gafas solares, inventadas para proteger la vista de los operarios que trabajaban en la construcción de las naves espaciales, fabricadas específicamente para eliminar la longitud precisa que se necesitase en cada momento.

Actualmente, las lentes de sol hechas de vidrio o de material plástico, principalmente de policarbonato o del polímero CR-39, reducen la radiación de luz visible, impiden el paso de la radiación ultravioleta, aumentan el contraste y eliminan reflejos, ¡ah, y no es necesario trabajar en la NASA para disponer de unas!

La moda es otro sector importante en nuestro día a día y no sólo en los meses de verano. Y aunque los diseñadores se esfuerzan en la creación de líneas de bañadores vanguardistas, que realcen nuestra figura, los científicos aparecen en el mercado con nuevos tejidos que permiten el paso de los rayos del sol para asegurar un bronceado parejo.

Estos nuevos bikinis elaborados con un material llamado Transol están formados por millones de microperforaciones con forma de diamante que dejan pasar el sol hasta en un 80%.

Me atrevería a decir que estos fabricantes de bañadores están en coordinación directa con los nanotecnólogos de las cremas solares, pues a partir de ahora deberemos aplicar bronceador también en las zonas cubiertas por Transol para evitar los efectos nocivos del sol.

Por último, quisiera mencionar los tan de moda cruceros. Lujosos, tendenciosos y sobre todo impactantes; no sólo para el visitante que queda embriagado por su ornamentación, sino para los parajes naturales allí por donde pasan.

Llamados por un sentimiento de sostenibilidad, podríamos optar por la energía eólica y solar para recorrer el mayor lago de origen glaciar. Estoy hablando del Helios Cousteau, el único catamarán del mundo propulsado por la combinación de cuatro molinos y veinte paneles solares (de nuevo, encontramos semiconductores en los paneles solares) para surcar las aguas del lago de Sanabria (Zamora) a bordo de un crucero ecológico.

Barco Helios Cousteau surcando el lago de Sanabria (Zamora) propulsado por placas fotovoltaicas y aerogeneradores.

 

Más información en la red

http://blog.espol.edu.ec/edfe/category/nanotecnologia/

http://www.idepa.es/sites/web/EuropaI_D_i/Repositorios/galeria_descargas_EuropaI_D_i/Aplicacio

http://www.cienciapopular.com/n/Tecnologia/NASA_Domestica/NASA_Domestica.php

http://www.kiniki.com/cms/Tan_Through_Information

http://www.elmundo.es/elmundo/2012/03/23/castillayleon/1332497374.html


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Categorias: Nanomateriales

Nanotecnología (y 7): tectónica cristalina

Manuel Elices Calafat (Universidad Politécnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)

Hemos reservado, para este último post de la serie, los cocolitos, que son magníficas filigranas calcáreas elaboradas por algas marinas unicelulares. El proceso constructivo de estas delicadas estructuras puede proporcionar ideas muy interesantes para fabricar pequeños componentes a partir de nanomateriales. Para ilustrar este concepto se resumen algunos aspectos de la construcción de la cocoesfera producida por el alga marina unicelular Emiliania huxleyi.

Figura 1. La cocoesfera que produce el alga marina unicelular Emiliania huxleyi es una filigrana esférica de calcita, formada por placas ovales llamadas cocolitos. Cada uno de estos está compuesto por 30 o 40 nanocristales de calcita. La síntesis de la cocoesfera es un impresionante ejemplo de autoensamblaje. (La foto de la cocoesfera es una cortesía de la Dra. Lluisa Cros Miguel).

La cocoesfera que elabora el alga E. huxleyi es una filigrana esférica de calcita y está formada por placas ovales llamadas cocolitos (Fig. 1). El tamaño de los cocolitos es de unas 3 micras y cada uno está compuesto por 30 o 40 nanocristales de calcita. Esta compleja estructura se forma por autoensamblaje de pequeñas unidades, lo que implica una secuencia de procesos coordinada e integrada. Inicialmente se forma un anillo de placas romboédricas de calcita, como si fuera un collar, y posteriormente los cristales crecen hacia el centro y hacia el exterior. Cada elemento del cocolito —a pesar de su forma complicada— es un monocristal de calcita (para más detalles véase Didymus J.M., Young J.R., Mann S. (1994) Construction and morphogenesis of the chiral ultraestructure of coccoliths from the marine alga Emiliania huxleyi. Proc. R. Soc. Lond. B 258, 237-245). Después, los cocolitos viajan hasta la superficie de la célula y se ensamblan para formar la cocoesfera.

La síntesis de una cocoesfera es un proceso complejo de fabricación de materiales que se realiza a distintos niveles; desde unos pocos nanómetros hasta miles de nanómetros. Las células de las algas no se han especializado en la biomineralización  —a diferencia  de  los  osteoblastos, por ejemplo— sin embargo poseen la maquinaria para estos procesos complejos. Por este motivo, este ejemplo puede proporcionar pistas que ayuden a entender —y quizás a copiar— las sofisticadas técnicas de autoensamblaje que usa la naturaleza.

S. Mann ha acuñado el término tectónica cristalina para imitar los complejos procesos de biomineralización. La palabra tectónica proviene del griego y está relacionada con el arte de construir. La tectónica cristalina se puede definir como la ciencia de la construcción de estructuras supramoleculares a partir de nanopartículas inorgánicas. Las fuerzas que dirigen y ordenan el autoensamblaje provienen de las interacciones complementarias entre grupos químicos en las superficies de las nanopartículas (Mann S., Ozin G.A. (1996) Synthesis of inorganic materials with complex form. Nature 382, 313-318). Veamos algunos ejemplos.

Un proceso simple de autoensamblaje es el ensamblaje interactivo (ver figura 2a). La fuerza que dirige el ensamblaje es la que tiende a formar una bicapa entre las moléculas orgánicas adsorbidas sobre las nanopartículas. Por este procedimiento se pueden construir delgados filamentos cristalinos de nanopartículas de BaSO4, o de BaCrO4, cuando  se  recubren  con   moléculas  surfactantes apropiadas, en este ejemplo con AOT ( bis-(2-hexil etil) sulfosuccinato).

Figura 2. Ejemplo de autoensamblaje.
a.- Ensamblaje interactivo. La fuerza que dirige el ensamblaje es la que tiende a formar una bicapa entre las moléculas orgánicas adsorbidas sobre las nanopartículas. En la fotografía (Mann et al. 2000) se pueden ver cadenas de nanopartículas de cromato de bario autoensambladas interactivamente.
b.- Ensamblaje programado, basado en la especifidad del reconocimiento e interacción entre el antígeno y el anticuerpo. En la fotografía (Mirkin et al. 1996) se observan conjuntos de nanopartículas de oro autoensambladas por este procedimiento. Los anticuerpos, adsorbidos a las partículas de oro, se han dibujado esquemáticamente. El antígeno con dos grupos funcionales se ha representado por dos rectángulos rojos y se ha incluido su fórmula química.

Otra forma, más sofisticada, es el ensamblaje programado. Se basa en la especificidad del reconocimiento e interacción entre el antígeno y el anticuerpo. En la actualidad, ya es posible producir proteínas con regiones específicas para que se enlacen con determinadas moléculas. Por ejemplo, si se elige como antígeno una molécula que contenga el grupo dinitrofenilo (DNP) y se fabrican anticuerpos basados en la inmunoglobulina E (IgE), el anticuerpo resultante —llamado anti-DNP IgE— será una proteína que tendrá regiones  que  reconocerán  y se asociarán con moléculas de DNP. Esta estrategia se ha utilizado en tectónica cristalina para construir estructuras a partir de nanopartículas de oro (ver figura 2b). El primer paso consiste en adsorber los anticuerpos —anti-DNP IgE— a las nanopartículas de oro, después diseñar el antígeno con dos grupos funcionales de DNP y, finalmente, dejar que reaccionen para que se agreguen las partículas.

Esta estrategia —la especificidad de la reacción antígeno anticuerpo— también se puede utilizar con las hebras de DNA y sus complementarias. Mirkin y Alivisatos, entre otros, (Mirkin C.A. et al. (1996) A DNA-based method for rationally assembling nanoparticles into macroscopic materials. Nature 382, 607-609, Alivisatos A.P. et al. (1996) Organization of nanocrystal molecules using DNA. Nature 382, 609-611) han conseguido agregados de partículas de oro, de 13 nm, recubriéndolas con hebras de DNA en las que se añade en un extremo un grupo tiol, que se une al oro. Para conseguir que las nanopartículas se agrupen hay que incorporar a la solución moléculas formadas por dos cadenas de DNA complementarias a las anteriores. Con este procedimiento se pueden fabricar materiales con las propiedades ópticas y electrónicas deseadas. Es más, estas técnicas se pueden utilizar para analizar o extraer, de forma selectiva, nanopartículas dentro de poblaciones heterogéneas siempre que las nanopartículas estén codificadas con su hebra de DNA.

La tectónica cristalina no permite, todavía, fabricar estructuras tan sofisticadas como los cocolitos, pero ya se consiguen cadenas como las que poseen las bacterias magnéticas. En el futuro, cuando en vez de partir de partículas esféricas se parta de cristales y se sepa controlar el tipo de molécula que ha de adsorberse en cada cara del cristal, se podrán fabricar por autoensamblaje nano y microestructuras complejas.

EPILOGO

Igual que hace 700 años, también hoy hay una cierta desconfianza sobre las fabulosas narraciones de los exploradores que se han aventurado en el nuevo mundo de la nanociencia. También se nota cierto escepticismo cuando se plantean inversiones en nanotécnica, algo parecido a las dudas que debieron tener los armadores venecianos antes de equipar una nave en busca de fortuna rumbo al Lejano Oriente.

Es posible —muy probable— que surjan nuevos Cristóbal Colón que hagan insospechados descubrimientos motivados por la sugerente información proporcionada por los exploradores que regresan de sus viajes en la punta de un alfiler. Colón tenía una edición latina de 1485 del Libro de las Maravillas con numerosas apostillas.

La experiencia nos enseña que la realidad suele ser más rica que la fantasía y es posible —casi seguro— que el futuro de la nanotécnica, con sus nanomateriales, sea más interesante que el que nos narran los exploradores del siglo XXI. Un coetáneo de Marco Polo escribió que éste había defendido su texto incluso en el lecho de muerte. A los amigos que le exhortaron a retractarse antes de ir a reunirse con Dios, les respondió categóricamente “No he descrito ni la mitad de lo que vi”.

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El acero, ¿un material pasado de moda?

    Por Á. Ridruejo  (Universidad Politécnica de Madrid)

     El acero es una aleación de hierro y carbono, con una proporción en peso de este último de entre el 0,01% y el 2.1%, al que pueden añadir otros elementos aleantes tales como manganeso, cromo, vanadio o molibdeno. La producción del acero, si bien de un modo muy imperfecto, está atestiguada desde la edad media. Con los avances en siderurgia del siglo XVII, su uso se hizo más común, pero solo con la invención en 1855 del Convertidor Bessemer, que permitía inyectar aire en el metal fundido y eliminar el exceso de carbono, el acero de calidad pudo obtenerse en masa a bajo precio. Hoy en día se producen en el mundo mil trescientos millones de toneladas anuales de acero, lo que convierte a este material en uno de los más utilizados.

En un blog como “Materiales al día”, dedicado esencialmente a novedades científicas y tecnológicas en el ámbito de los materiales, es fácil encontrar ejemplos de nuevos materiales con propiedades asombrosas. Podemos pensar en nuevas fibras poliméricas de altas prestaciones, adhesivos de gran resistencia, materiales compuestos que aúnan resistencia y ligereza, o nuevos materiales procesados con micro o nanotecnología. En este contexto, podría resultar extraño considerar el acero como un material novedoso, pero a continuación veremos que oculta interesantes sorpresas.

Una reciente campaña publicitaria promovida por una asociación europea de fabricantes de acero tenía como lema “El acero está en nuestras vidas”. Esta afirmación puede hacerse en 2012, pero también mantenía su vigencia en la construcción de puentes y rascacielos a principios del siglo XX, en el tendido de ferrocarriles del XIX, o en el uso de armas, herramientas y útiles domésticos desde que la civilización hitita adquiriera cierto dominio de la metalurgia del hierro en torno al siglo XIV antes de Cristo. La explosión tecnológica de los polímeros sintéticos del siglo XX pudo mermar la primacía del acero, pero teniendo en cuenta lo extendido de su uso, aún podría decirse que no hemos abandonado la Edad del Hierro. Esta fidelidad de los hombres hacia el material que nos ocupa sólo se puede explicar gracias a su abundancia natural, a las excelentes propiedades nativas del hierro y a la continua evolución tecnológica de los procedimientos de obtención y procesado, que ha conseguido mejorar dichas propiedades.

Desde sus comienzos, el acero fue utilizado fundamentalmente por su resistencia y ductilidad, pero esta aleación de hierro y carbono es tremendamente adaptable a muy diversos usos. Por un lado, podemos regular la proporción Fe/C para modificar la microestructura y las propiedades, o añadir otros elementos químicos (por ejemplo, la adición de Cr y Ni pueden convertirlo en inoxidable). Si se somete a ciertos tratamientos térmicos como el temple, obtendremos un material más duro y resistente, pero también más frágil y menos deformable. También se puede enriquecer desde la superficie con C o N para aumentar la dureza, o someterlo a procesos mecánicos tales como la deformación en frío o la forja que pueden mejorar selectivamente ciertas propiedades.

Así, tenemos un único material que responde a múltiples exigencias y que compite con éxito con aleaciones ligeras, cerámicas avanzadas o materiales compuestos. Aparte de su versatilidad, el acero tiene la ventaja de ser fácilmente soldable, lo que permite la construcción de grandes estructuras (puentes, buques), así como una muy alta reciclabilidad (más del 70% del acero fabricado en España proviene de chatarra). La asociación APTA muestra en su página web (www.apta.com.es) una serie de cifras sorprendentes:

“-Un kilogramo de acero, que es de alguna manera una mezcla de tecnología por un lado y destreza por el otro, cuesta de media lo mismo que una barra de pan.


 -Los hilos de acero que constituyen el armazón radial de los neumáticos, si tuvieran dos milímetros de diámetro, serían capaces de levantar una carga de una tonelada.


-Si se construyera hoy una réplica de la Torre Eiffel utilizando los recursos en acero nuevos, sería entre tres y cuatro veces más ligera.


-El tablero del Viaducto de Millau, que es desde el 2005 el puente más alto del mundo, representa 36 000 toneladas de acero. Si se hubiera escogido realizarlo en hormigón, habría pesado 120 000 toneladas.


-El acero utilizado en las centrales nucleares es estudiado para resistir a más de 300 grados bajo 200 atmósferas durante más de 40 años.


-Una lámina de algunas micras de espesor de resina colocada entre dos paramentos de acero forma una chapa que reduce el nivel sonoro dividiéndolo por 30.


-Gracias a los progresos sobre las chapas revestidas, las carrocerías de los automóviles tienen una garantía de 12 años contra la corrosión.


-Más del 90 % del agua utilizada para la fabricación de una tonelada de acero es reciclable.
-700 toneladas de acero son recicladas cada minuto en el mundo.


-En sólo un cuarto de siglo, entre 1975 y 2000, el espesor del acero para fabricar las latas de bebidas ha pasado de 0,33 a 0,23 mm, lo que hace que al final (una vez la embutición este acabada) se produzcan latas cuyo espesor no exceda los 0,07 mm.”


Otro ejemplo sería el sector de la automoción. Un Volkswagen Golf GTI de 1975 pesaba 840 kg, tenía una potencia de 110 CV y consumía en torno a 9 litros por 100 km. Gracias a las mejoras tecnológicas, la versión de 2010 había más que duplicado su peso (1870 kg) y había aumentado en 100 CV la potencia, pero el consumo se había reducido a 7,3 l/100 km. Las estructuras con nuevos aceros permiten reducir el peso de los componentes en un 25% proporcionando un incremento de la resistencia a torsión y a flexión del 40% y 52%, respectivamente.

Diseño conceptual “Future Steel Vehicle”.

Diseño conceptual “Future Steel Vehicle”. En los nuevos diseños estructurales para automoción se pretende ahorrar un 35% de peso la vez que reducir las emisiones totales durante la vida del vehículo en un 70%. Fuente: WorldAutoSteel

 

 

Esta lista da una idea de los logros conseguidos en el campo del acero, pero el desarrollo no se detiene. Impresiona constatar que la siderurgia produce más de 3.000 tipos diferentes de acero. Mas de la mitad de ellos se han creado en las últimas dos décadas. De hecho, hace 10 años no existían el 50% de los aceros actualmente presentes en el mercado, y existe aún margen de mejora. Algunos de los campos con prioridad para la investigación siderúrgica, planteados por la propia industria, son los siguientes:

-Nuevos aceros para conducción de fluidos a alta presión (o soportando grandes presiones externas).

-Aceros con comportamiento mejorado en condiciones criogénicas.

-Mejora de las propiedades frente al fuego en aceros de construcción.

-Desarrollo de aceros más resistentes a la corrosión.

-Nuevos aceros con mayor durabilidad en distintas condiciones de servicio.

-Aceros para el almacenamiento de hidrógeno.

-Aceros para componentes nucleares (en particular, resistentes a la irradiación neutrónica).

-Aceros de alta resistencia para automoción.

 

El ciclo del acero en Europa (octubre 2007). Las cifras vienen dadas en millones de toneladas. La vida útil viene indicada por v: número de años. Fuente: Plataforma Tecnológica del Acero (Platea)

La mejora de los procesos con un bajo coste, ahorrando material y energía, es también un objetivo prioritario del sector siderúrgico. A esto debe añadirse el esfuerzo investigador encaminado a optimizar los procesos de producción (colada, laminado, control inteligente de procesos) y en otras tecnologías en las que el acero interviene, como son el conformado de piezas, las técnicas de unión (mediante soldadura o adhesivas) o los ensayos no destructivos.

Después de este breve recorrido por el mundo del acero parece claro que, en el caso de que alguien se atreviera a anunciar la muerte del acero como material de actualidad, se le podría responder con aquella cita célebre unas veces atribuida al Don Juan Tenorio de Zorrilla, y otras a Lope de Vega o a una traducción de Le Menteur de Corneille:

“los muertos que vos matáis
gozan de buena salud”

 

 

Referencias:

http://www.aceroplatea.es/index.php

http://www.unesid.org/ElMundoATravesDelAcero/01.html

www.apta.com.es

http://www.worldsteel.org/

http://www.steeluniversity.org/content/html/spa/default.asp?catid=&pageid=1016899460

 

 

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