Estructura y des de Los Materales

5/10/2018 Estructura y des de Los Materales - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/estructura-y-des-de-los-materales 1/50

1

A N T O L O G Í A D E :

E s t r u c t u r a Y

P r o p i e d a d e s d e l o s

M a t e r i a l e s

C U A T R I M E S T R E :

3º



2

INDICE DE CONTENIDO______________________________________________________________________________

Página

OBJETIVO GENERAL 2

CONTENIDO TEMATICO 3

UNIDAD I INTRODUCCION 4

UNIDAD II POLIMEROS 6

UNIDAD III BIOMATERIALES 17

UNIDAD IV MATERIALES CERAMICOS 22

UNIDAD V SUPERCONDUCTIVIDAD 24

BIBLIOGRAFIA 48



3

OBJETIVO GENERAL___________________________________________________________

Análisis de los diferentes materiales, su estructura y propiedades, lo cual le permitirá identificar sucomposición y explicar su utilización.



4

CONTENIDO TEMATICO

TEMAS Y SUBTEMAS

UNIDAD I: INTRODUCCIÓN

1.1 Introducción1.2 Cristales líquidos1.3 Tipos de fases líquido-cristalina nemática1.4 Fase líquido-cristalina nemática1.5 Fase líquido-cristalina esméctica

UNIDAD II: POLÍMEROS

2.1 Polimerización por adición2.2 Polimerización por condensación2.3 Tipos de polímeros2.4 Estructura y propiedades físicas de los polímeros2.5 Enlaces cruzados en los polímeros

UNIDAD III BIOMATERIALES

3.1 Características de los biomateriales3.2 Biomateriales polímericos3.3 Ejemplos de aplicaciones de biomateriales

UNIDAD IV MATERIALES CERÁMICOS

4.1 Procesamiento de los materiales cerámicos4.2 Materiales cerámicos4.3 Compuestos4.4 Aplicaciones de los materiales cerámicos

UNIDAD V SUPERCONDUCTIVIDAD

5.1 Oxidos cerámicos superconductores5.2 Nuevos superconductores5.3 Películas delgadas5.4 Formación de películas delgadas



5

UNIDAD I . INTRODUCCIÓN

1.1 INTRODUCCIÓN

Un cristal líquido es una substancia que se comporta en parte como un líquido, en parte como unsólido. Si se pudiera tocar, lo sentirían como jabonoso y pegajoso--en efecto, la mezcla pegajosa que

se encuentra en el fondo de un recipiente de jabón es un genuino cristal líquido no muy diferente delmaterial de una pantalla de laptop.

Lo que hace a un cristal líquido diferente de los líquidos ordinarios es la forma de sus moléculas: ellasson largas y delgadas, como "papas fritas". Aún si la posición de las moléculas es aleatoria, suorientación puede ser alineada, unas con otras en un patrón regular--y eso es lo que crea la estructuraordenada de un cristal líquido.

1.2 CRISTALES LÍQUIDOS

Por una parte llamamos líquido a una sustancia que fluye y toma la forma del recipiente que lacontiene; pero, por otra, a un cristal lo concebimos como sustancia sólida y rígida. De modo que, almenos intuitivamente, ¡un cristal es precisamente lo opuesto a un líquido! Y sin embargo existensustancias reales, los cristales líquidos, que exhiben la dualidad sólido-líquido, es decir, que,simultáneamente, poseen propiedades de los líquidos, fluidez y viscosidad, y propiedades ópticas quese parecen de modo asombroso a las de los cristales como, por ejemplo, poder reflejar coloresdiferentes dependiendo del ángulo bajo el cual se les observe. Los cristales líquidos desempeñan unpapel fundamental en los organismos vivos, pues el DNA forma diversas fases líquido cristalinas;también se les utiliza para fabricar dispositivos electrónicos, como los indicadores electro-ópticos quemuestran letras y símbolos diversos en las calculadoras de bolsillo o en las carátulas de los relojeselectrónicos modernos. También han permitido fabricar pantallas de TV extraordinariamente delgadasy hacen posible el desarrollo de ventanas o cortinas que con sólo accionar un interruptor se hacentransparentes o totalmente opacas. Estos líquidos tan peculiares son también esenciales para fabricar

nuevos materiales, entre ellos fibras de muy alta resistencia y son de gran utilidad en la recuperacióndel petróleo. Un cristal líquido fluye, se escurre y toma la forma del recipiente que lo contiene, de lamisma manera que lo hace un líquido ordinario como, por ejemplo, el agua. Pero a diferencia de ésta,cuyas moléculas son relativamente simples y prácticamente esféricas, las moléculas de un cristallíquido son, por lo general, o muy alargadas en forma de barra o aplanadas en forma de disco Estaasimetría molecular tiene una consecuencia muy importante, los átomos dentro de la molécula sesitúan preferentemente a lo largo del eje de la molécula o bien en el plano definido por la moléculamisma, dando lugar a una estructura molecular complicada. De acuerdo con el tipo de arreglosmoleculares que pueden formar, Friedel (1922) clasificó los cristales líquidos en tres grandes clases:nemáticos, esmécticos y colestéricos.

1.3 TIPOS DE FASES LÌQUIDO-CRISTALINAS

Hay tres clases de cristales líquidos: los esmécticos, los nemáticos y los colestéricos. El arreglo de lasmoléculas en un sólido cristalino es ordenado en las tres dimensiones. Las moléculas tienen unaposición fija y sólo pueden vibrar. Los cristales líquidos esmécticos son los que más se parecen a loscristales sólidos. En los esmécticos, las moléculas se alinean como soldados que desfilan, y formancapas. Dentro de las capas, las moléculas pueden estar perpendiculares al plano de la capa oligeramente inclinadas. El arreglo de las moléculas en un cristal líquido esméctico es ordenado en dosdimensiones. Las moléculas se pueden mover respecto de una capa, de lado a lado o del frente hacia



6

atrás y pueden girar. Las capas se mueven unas respecto de las otras. Las moléculas no pueden pasarde una capa a otra, ni pueden rotar.

Los cristales líquidos nemáticos son moléculas polarizables con forma de bastón de alrededor de 20angstroms (10-9 metros) de longitud. En ellos, las moléculas están paralelas pero no forman capas.Pueden girar, pero no tiene rotación. La disposición de las moléculas sólo es ordenada en unadirección. Las moléculas se pueden mover en las tres direcciones. Esta clase de cristales son los quemás se asemejan a los líquidos. Podría hacerse una analogía con una gran cantidad de escarbadientes

puesta en una caja rectangular y sometida a agitación. Al abrir la caja, todos los escarbadientes estaránorientados en la misma dirección pero no mostrarán una organización especial definida. Podránmoverse libremente, pero lo más probable es que estén alineados en la misma dirección. Este es unmodelo muy simple del tipo de cristales líquidos llamados nemáticos.

Los cristales líquidos colestéricos están formados por capas, aunque cada capa está girada unos 15grados respecto de las que hay arriba y debajo de ella; hay unas 24 capas entre las repeticiones.

1.4 FASE LÌQUIDO-CRISTALINA NEMÀTICA

La fase nemática exhibe orden en la orientación de sus moléculas y al mismo tiempo desorden en laposición de sus centros de masa. Las moléculas pueden moverse lateralmente, girar alrededor del ejecomún o deslizarse paralelamente a él. También es importante mencionar que, además de latemperatura, otras propiedades, como la densidad, son de gran importancia para determinar el grado deorden o el tipo de fase líquido cristalina que puede formarse. En efecto, cuando el número demoléculas por unidad de volumen es elevado, o sea, cuando la densidad es grande, las moléculas estánmás cerca unas de otras y las interacciones repulsivas entre ellas son más intensas, lo cual favorece laaparición de orden tanto de orientación como de posición en el cristal líquido. Sin embargo, estasfluctuaciones térmicas producen defectos en la orientación los cuales dan lugar a estructurasmicroscópicas en forma de hilo que flotan en el nemático o que se adhieren a la superficie del

recipiente. Precisamente esta característica fue el origen del nombre nemático que en griego significahilo.

1.5 FASE LÍQUIDO-CRISTALINA ESMÉCTICA

En contraste con los nemáticos, que son la fase más desordenada de los cristales líquidos, losesmécticos constituyen la fase más ordenada. Tienden a organizarse en capas planas paralelas entre sí,como las hojas de un libro pero con sus ejes moleculares perpendiculares a estos planos y paralelosentre sí. Éste es, por ejemplo, el arreglo de las moléculas en las capas superficiales de una pompa de

jabón y es el que le proporciona la cohesión necesaria para formarse. De hecho, esméctico se derivadel vocablo griego que designa una sustancia de propiedades similares al jabón. Como en losnemáticos, las moléculas de esméctico también pueden girar alrededor de la dirección de orientacióncomún pero no pueden hacerlo fuera de la capa en que se encuentran. En cada plano las moléculaspueden acomodarse en filas con diferentes grados de orden de posición de sus centros de masa. En elcaso más ordenado se produce un arreglo regular muy parecido al de la red de un sólido, en el que hayorden y repetición en cada dirección. En cambio, en el arreglo más desordenado los centros de masamoleculares se mueven caóticamente en cada plano, de modo que en este caso el esméctico es



7

nemático por planos. Debe enfatizarse, sin embargo, que en cualquier caso el esméctico es siemprefluido y las diferentes capas se deslizan, en mayor o menor grado, unas sobre otras

UNIDAD II. POLÍMEROS

La materia esta formada por moléculas que pueden ser de tamaño

normal o moléculas gigantes llamadas polímeros. Los polímerosse producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñasdenominadas monómeros que forman enormes cadenas de las formasmás diversas. Algunas parecen fideos, otras tienen ramificaciones.Algunas más se asemejan a las escaleras de mano y otras son como redes tridimensionales. Existen

polímeros naturales de gran significación comercial como el algodón, formado por fibras de celulosas.La celulosa se encuentra en la madera y en los tallos de muchas plantas, y se emplean para hacer telasy papel. La seda es otro polímero natural muy apreciado y es una poliamida semejante al nylon. Lalana, proteína del pelo de las ovejas, es otro ejemplo. El hule de los árboles de hevea y de los arbustosde Guayule, son también polímeros naturales importantes. Sin embargo, la mayor parte de los

polímeros que usamos en nuestra vida diaria son materiales sintéticos con propiedades y aplicacionesvariadas. Un polímero (del griego poly, muchos; meros, parte, segmento) es una sustancia cuyas moléculas son,por lo menos aproximadamente, múltiplos de unidades de peso molecular bajo. La unidad de bajo pesomolecular es el monómero. Si el polímero es rigurosamente uniforme en peso molecular y estructuramolecular, su grado de polimerización es indicado por un numeral griego, según el número deunidades de monómero que contiene; así, hablamos de dímeros, trímeros, tetrámero, pentámero ysucesivos. El término polímero designa una combinación de un número no especificado de unidades.De este modo, el trióximetileno, es el trímero del formaldehído, por ejemplo. Si el número de unidadeses muy grande, se usa también la expresión gran polímero. Un polímero no tiene la necesidad deconstar de moléculas individuales todas del mismo peso molecular, y no es necesario que tengan todasla misma composición química y la misma estructura molecular. Hay polímeros naturales como ciertasproteínas globulares y policarbohidratos, cuyas moléculas individuales tienen todas el mismo pesomolecular y la misma estructura molecular; pero la gran mayoría de los polímeros sintéticos ynaturales importantes son mezclas de componentes poliméricos homólogos. La pequeña variabilidaden la composición química y en la estructura molécular es el resultado de la presencia de gruposfinales, ramas ocasionales, variaciones en la orientación de unidades monómeras y la irregularidad enel orden en el que se suceden los diferentes tipos de esas unidades en los copolímeros.

2.1 TIPOS DE POLÍMEROS.

Existen varias formas posibles de clasificar los polímeros, sin que sean excluyentes entre sí.

Según su origen:

Polímeros naturales. Existen en la naturaleza muchos polímeros y las biomoléculas que forman los

seres vivos son macromoléculas poliméricas. Por ejemplo, las proteínas, los ácidos nucleicos, los

polisacáridos (como la celulosa y la quitina), el hule o caucho natural, la lignina, etc.



8

Polímeros semisintéticos. Se obtienen por transformación de polímeros naturales. Por ejemplo, la

nitrocelulosa, el caucho vulcanizado, etc.

Polímeros sintéticos. Muchos polímeros se obtienen industrialmente a partir de los monómeros. Por

ejemplo, el nylon, el poliestireno, el cloruro de polivinilo (1), el polietileno, etc.

Según su mecanismo de polimerización:

En 1929 Carothers propuso la reacción:

Polímeros de condensación. La reacción de polimerización implica a cada paso la formación de una

molécula de baja masa molecular, por ejemplo agua.

Polímeros de adición. La polimerización no implica la liberación de ningún compuesto de baja masa

molecular. Esta polimerización se genera cuando un "catalizador", inicia la reacción. Este catalizador

separa la unión doble carbono en los monómeros, luego aquellos monómeros se unen con otros debido

a los electrones libres, y así se van uniendo uno tras uno hasta que la reacciona termina.

Polímeros formados por etapas. La cadena de polímero va creciendo gradualmente mientras haya

monómeros disponibles, añadiendo un monómero cada vez. Esta categoría incluye todos los polímeros

de condensación de Carothers y además algunos otros que no liberan moléculas pequeñas pero sí se

forman gradualmente, como por ejemplo los poliuretanos.

Polímeros formados por reacción en cadena. Cada cadena individual de polímero se forma a gran

velocidad y luego queda inactiva, a pesar de estar rodeada de monómero.

Según su composición química:

Polímeros orgánicos. Posee en la cadena principal átomos de carbono.

Polímeros vinílicos. La cadena principal de sus moléculas está formada exclusivamente por átomos de

carbono.

Dentro de ellos se pueden distinguir:

Poliolefinas, formados mediante la polimerización de olefinas.

Ejemplos: polietileno y polipropileno.

Polímeros estirénicos, que incluyen al estireno entre sus monómeros.Ejemplos: poliestireno y caucho estireno-butadieno.

Polímeros vinílicos halogenados, que incluyen átomos de halógenos (cloro, flúor...) en su

composición.

Ejemplos: PVC y PTFE.

Polímeros acrílicos. Ejemplos: PMMA.



9

Polímeros orgánicos no vinílicos. Además de carbono, tienen átomos de oxígeno o nitrógeno en su

cadena principal.

Algunas subcategorías de importancia:

Poliésteres

policarpios

Poliamidas

Poliuretanos

Polímeros ignorantes. Entre otros:

Basados en azufre. Ejemplo: polisulfuros.

Basados en silicio. Ejemplo: silicona.

Según sus aplicaciones:

Atendiendo a sus propiedades y usos finales, los polímeros pueden clasificarse en:

Elastómeros. Son materiales con muy bajo módulo de elasticidad y alta extensibilidad; es decir, se

deforman mucho al someterlos a un esfuerzo pero recuperan su forma inicial al eliminar el esfuerzo.

En cada ciclo de extensión y contracción los elastómeros absorben energía, una propiedad denominada

resiliencia.

Plásticos. Son aquellos polímeros que, ante un esfuerzo suficientemente intenso, se deforman

irreversiblemente, no pudiendo volver a su forma original. Hay que resaltar que el término plástico se

aplica a veces incorrectamente para referirse a la totalidad de los polímeros.

Fibras. Presentan alto módulo de elasticidad y baja extensibilidad, lo que permite confeccionar tejidos

cuyas dimensiones permanecen estables.

Recubrimientos. Son sustancias, normalmente líquidas, que se adhieren a la superficie de otros

materiales para otorgarles alguna propiedad, por ejemplo resistencia a la abrasión.

Adhesivos. Son sustancias que combinan una alta adhesión y una alta cohesión, lo que les permite unirdos o más cuerpos por contacto superficial.

Según su comportamiento al elevar su temperatura:

Para clasificar polímeros, una de las formas empíricas más sencillas consiste en calentarlos por encima

de cierta temperatura. Según si el material funde y fluye o por el contrario no lo hace se diferencian

dos tipos de polímeros:



10

Termoplásticos, que fluyen (pasan al estado líquido) al calentarlos y se vuelven a endurecer (vuelven

al estado solido) al enfriarlos. Su estructura molecular presenta pocos (o ningún) entrecruzamientos.

Ejemplos: polietileno (PE), polipropileno (PP), PVC.

Termoestables, que no fluyen, y lo único que conseguimos al calentarlos es que se descompongan

químicamente, en vez de fluir. Este comportamiento se debe a una estructura con muchos

entrecruzamientos, que impiden los desplazamientos relativos de las moléculas.

La clasificación termoplásticos / termoestables es independiente de la clasificación elastómeros /

plásticos / fibras. Existen plásticos que presentan un comportamiento termoplástico y otros que se

comportan como termoestables. Esto constituye de hecho la principal subdivisión del grupo de los

plásticos y hace que a menudo cuando se habla de "los termoestables" en realidad se haga referencia

sólo a "los plásticos termoestables". Pero ello no debe hacer olvidar que los elastómeros también se

dividen en termoestables (la gran mayoría) y termoplásticos (una minoría pero con aplicaciones muy

interesantes).

2.2 ESTRUCTURA Y PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS POLÍMEROS.

Estudios de difracción de rayos X sobre muestras de polietileno comercial, muestran que este material,constituido por moléculas que pueden contener desde 1.000 hasta 150.000 grupos CH2 – CH2presentan regiones con un cierto ordenamiento cristalino, y otras donde se evidencia un carácteramorfo: a éstas últimas se les considera defectos del cristal. En este caso las fuerzas responsables delordenamiento cuasicristalino, son las llamadas fuerzas de Van de Waals. En otros casos (nylon 66) laresponsabilidad del ordenamiento recae en los enlaces de H. La temperatura tiene mucha importancia

en relación al comportamiento de los polímeros. A temperaturas más bajas los polímeros se vuelvenmás duros y con ciertas características vítreas debido a la pérdida de movimiento relativo entre lascadenas que forman el material. La temperatura en la cual funden las zonas cristalinas se llamatemperatura de fusión (Tf) Otra temperatura importante es la de descomposición y es conveniente quela misma sea bastante superior a Tf.

El objeto de la polimerización es obtener una sustancia macromolecular con propiedades diferentes alas del monómero, o moléculas aisladas de peso molecular conocido.

Durante la polimerización la cual tiene lugar bajo condiciones variadas como temperatura o presiónelevada, acción de la luz, o presencia de aceleradores, las moléculas aisladas o monómeras se

ensamblan bajo reacción exotérmica, dando macromoléculas. La capacidad de los compuestosorgánicos de polimerizarse depende de ciertas condiciones de enlazamiento de los átomos de lamolécula monómera. Particularmente hacen posible la polimerización los enlaces múltiples, biendobles enlaces de carbono (átomos de carbono unidos a través de dos valencias) o bien enlaces triples,así como el tipo y posición de átomos o grupos atómicos eficaces.

Fundamentalmente todos los polímeros se forman mediante la creación de enlaces químicos entremoléculas relativa mente pequeñas, o monómeros, para formar moléculas muy grandes



11

(macromoléculas), o polímeros. Los enlaces se forman por medio de un o de una combinación de dostipos de reacciones: de adición o de condensación.

2.3 POLIMERIZACIÓN POR ADICIÓN.

Una polimerización es por adición si la molécula de monómero pasa a formar parte del polímerosin pérdida de átomos.

La polimerización es por condensación si la molécula de monómero pierde átomos cuando pasa aformar parte del polímero. Por lo general se pierde una molécula pequeña, como agua o HCLgaseoso.

La polimerización por condensación genera subproductos. La polimerización por adición no.

Existen cinco tipos de polimerización por adición:

Suma de moléculas pequeñas de un mismo tipo por apertura del doble enlace sin eliminaciónde ninguna parte de la molécula (polimerización de tipo vinilo.).

Suma de pequeñas moléculas de un mismo tipo por apertura de un anillo sin eliminación deninguna parte de la molécula (polimerización tipo epóxido.).

Suma de pequeñas moléculas de un mismo tipo por apertura de un doble enlace coneliminación de una parte de la molécula (polimerización alifática del tipo diazo.).

Suma de pequeñas moléculas por ruptura del anillo con eliminación de una parte de lamolécula (polimerización del tipo a -aminocarboxianhidro.).

suma de birradicales formados por deshidrogenación (polimerización tipo p-xileno.).

Polimerización por Adición

En esta clase de polimerización los polímeros son sintetizados por la adición de monómerosinsaturados a la cadena creciente. Un monómero insaturado es aquel que tiene un enlace covalente,o doble, entre sus átomos, estos enlaces covalentes son bastante reactivos y al ser eliminadospermiten que el monómero se pueda acoplar con otros monómeros insaturados.

Por ejemplo, al monómero de etileno se le rompe el enlace covalente entre sus dos átomos decarbono dejando dos electrones desapareados. Esto atrae otro monómero de etileno, rompiéndole elenlace covalente y acoplándolo. Así puede continuar indefinidamente la reacción formando lacadena polimérica.



12

Obviamente, cuando se va a iniciar la reacción, el primer monómero no es capaz por sí solo deromper el enlace covalente, por lo que se utilizan iniciadores. Los iniciadores son moléculas quetienen la particularidad de romper por sí mismas uno de sus enlaces. Luego de haberse divididotenemos dos fragmentos, denominados fragmentos iniciadores, cada uno con un electrón noapareado. Moléculas como estas son el peróxido benzoico y el 2,2'-azo-bis-isobutirilnitrilo (AIBN).

2,2'-azo-bis-isobutirilnitrilo (AIBN) Peróxido benzoico

Ahora recuérdese, estos electrones no apareados no estarán contentos con esta situación por loque buscarán cualquier electrón con el fin de aparearse. Este electrón lo obtienen al romper elenlace covalente de un monómero, dejando a su vez a este monómero con un electrón desapareadoque reacciona, de igual manera que el iniciador, con otro monómero propagándose la reacción depolimerización por adición.

Desafortunadamente, la reacción tiene que acabar. Hay dos maneras de terminar la reacción.La primera es llamada acoplamiento. Sucede cuando dos electrones no apareados de dos cadenasdiferentes que están creciendo se encuentran, permitiendo que sus respectivas cadenas se acoplen.



13

La segunda forma de terminación de la reacción es llamada desproporcionalización. Es unpoco más particular que la anterior. En la desproporcionalización, cuando se encuentran las doscadenas crecientes, uno de los electrones desapareados en lugar de acoplarse sencillamente con elde la otra cadena, lo que hace es arrebatarle un átomo de hidrógeno, terminando su crecimiento ydejando a la última cadena con dos electrones desapareados entre los cuales se forma un enlacedoble que también cierra esta cadena.

En general, un polímero de adición como el polietileno puede representarse así:

F1–[CH2 – CH2] –F2,



14

en donde F1 y F2 son los grupos terminales de inicio y fin de la reacción, que se encuentran en muypequeñas concentraciones comparados con la cantidad de monómeros de la cadena principal. Estosgrupos terminales no tienen efecto en las propiedades mecánicas del polímero, pero sí puedeninfluenciar la estabilidad química del mismo: en algunos polímeros, cuando son calentados oirradiados con luz, los grupos terminales inestables pueden iniciar la degradación de la molécula

En algunas ocasiones, el electrón desapareado al final de la cadena arrebata un electrón de un enlacecarbono hidrógeno a su propia cadena principal, cerrando la cadena al final y dejando una posibilidad

de enlace en una zona intermedia de la cadena en donde se acoplará otro monómero y dará inicio auna ramificación. Este fenómeno es conocido como mecanismo de back-biting (“retromordida”). Esasí como se producen los polímeros ramificados.



15

En el proceso por catalizador Ziegler-Natta, la molécula crece como un cabello a partir de lasuperficie del catalizador. Los monómeros se difunden a través del solvente hasta la superficie delcatalizador y de allí al punto de crecimiento; en donde se produce la ruptura del enlace covalente y segenera la adición del monómero. Ya que el monómero es insertado en un punto específico de lacadena, no existe posibilidad para el mecanismo de back-biting. Esto explica por qué los polietilenossintetizados de esta manera presentan un nivel de ramificación despreciable, del orden de unaramificación cada cien átomos de carbono.

A continuación se muestra cómo luce en la realidad una planta de polimerización para laobtención de polipropileno:

Planta Propilco S. A. (http://www.propilco.com/)

En el reactor 1 se alimenta propileno, catalizador y un agente de selectividad para generar lareacción, bajo condiciones controladas de temperatura y presión, que permite obtener el gradohomopolímero. Para la obtención del copolímero se adiciona etileno en el reactor 2. Cuando sale laresina sólida, se hace pasar por un sistema de desgasificación en donde una corriente de hidrógenoremueve las trazas de monómero y de catalizador. La resina es mezclada con aditivos que mejoran su

desempeño según la aplicación. Finalmente el material es extruído y peletizado.

En resumen, la polimerización por adición puede asimilarse a armar un tren con vagones iguales, poresto también se conoce como polimerización de crecimiento de cadena. Debe anotarse que alterminar de armar el tren no sobra ningún vagón, es decir, en la polimerización de adición no seproducen residuos.

Polimerización por adición: los monómeros se adicionan unos con otros, de tal manera que el productopolimérico contiene todos los átomos del monómero inicial. Un ejemplo de esto es la polimerización



16

del etileno (monómero) para formar el polietileno, en donde todos los átomos que componen elmonómero forman parte del polímero.

2.4 POLIMERIZACIÓN POR CONDENSACIÓN.

A diferencia de la polimerización de adición, en la polimerización de condensación algunosátomos del monómero no son incluidos en el polímero resultante, por lo que se produce unapequeña molécula como residuo. Usualmente agua o gas de ácido clorhídrico (HCl).

Por ejemplo, la reacción de diamina hexametilénica

y ácido adifático

genera (2n-1)H2O más

una poliamida conocida como nylon 6.6. también puede obtenerse haciendo reaccionar ácido

adipoilo y diamina hexametilénica



17

Debido a que ahora hay menos masa en el polímero que en los monómeros originales, decimos queel polímero está condensado con respecto a los monómeros. El subproducto, ya sea HCl gaseoso,agua o lo que fuere, se denomina condensado

Otro ejemplo es la reacción del ácido tereftálico y el etilenglicol

que produce (2n-1)H2O más el poliéster polietiléntereftalato (PET)

Nótese que los polímeros de condensación tienen la forma

– A – B – A – B – A – B –

Esta regularidad absoluta en la ubicación de los monómeros facilita la tendencia de lamolécula a formar cristales cuando se solidifica. Esta característica molecular, la cristalinidad , es

de gran influencia en las propiedades mecánicas.Los procesos de polimerización descritos anteriormente se utilizan para la obtención tanto depolímeros termoplásticos como de polímeros termoestables (entrecruzados).

Debe anotarse que los procesos de polimerización no son perfectos, en el sentido de que no ofrecenla posibilidad de obtener cadenas exactamente con la misma cantidad de monómeros. Por lo cual, unvalor de masa molecular promediado aritméticamente no es representativo de la masa molecular delpolímero; es por esto que se utilizan valores con significado estadístico para cuantificar la masa



18

molecular de los polímeros: la masa molecular promedio en número y la masa molecular promedioen peso.

Polimerización por condensación: en este caso, no todos los átomos del monómero forman parte delpolímero. Para que dos monómeros se unan, una parte de éste se pierde.

2.5 ENLACES CRUZADOS EN LOS POLÍMEROS.

UNIDAD III BIOMATERIALES

3.1 CARACTERISTICAS DE LOS BIOMATERIALES

Los BIOMATERIALES se pueden definir como materiales biológicos comunes tales como piel,madera, o cualquier elemento que remplace la función de los tejidos o de los órganos vivos. En otrostérminos, un biomaterial es una sustancia farmacológicamente inerte diseñada para ser implantada oincorporada dentro del sistema vivo. Otra definición es: Se define BIOMATERIAL como cualquiersustancia o combinación de sustancias, de origen natural o sintético, diseñadas para actuarinterfacialmente con sistemas biológicos con el fin de evaluar, tratar, aumentar o sustituir algún tejido,órgano o función del organismo humano.

Los requisitos que debe cumplir un biomaterial son:

1. Ser biocompatible, es decir, debe ser aceptado por el organismo, no provocar que éste desarrollesistemas de rechazo ante la presencia del biomaterial

2. No ser tóxico, ni cancerígeno.

3. Ser químicamente estable (no presentar degradación en el tiempo) e inerte.

4. Tener una resistencia mecánica adecuada.

5. Tener un tiempo de fatiga adecuado.

6. Tener densidad y peso adecuados.

7. Tener un diseño de ingeniería perfecto; esto es, el tamaño y la forma del implante deben ser losadecuados.8. Ser relativamente barato, reproducible y fácil de fabricar y procesar para su producción en granescala.



19

Hay, de hecho, cuatro grupos de materiales sintéticos usados para implantación: metálicos, cerámicos,poliméricos y compuestos de ellos

La fabricación y el uso de los materiales depende de sus propiedades mecánicas, tales comoresistencia, dureza, ductibilidad, etcétera. Las propiedades elásticas y viscoelásticas seráncaracterizadas antes que las estáticas y dinámicas.

ACTIVIDADES EXTRAESCOLARES:

Investigar para explicar: Tipos de enlaces, propiedades de los materiales (físicas, químicas, mecánicas,térmicas, etc.) Ley de Hooke y Modulo de Young

La naturaleza (iónico, covalente y metálico), y la fuerza de los enlaces atómicos determinan qué tanestable es el material cuando se le aplica una carga, es decir, cuando se le somete a un esfuerzo de tipomecánico; este tipo de propiedades son conocidas como mecánicas. Cuando se determina laestabilidad del material en función de cambios en la temperatura, se habla de propiedades térmicas.

Cuando estiramos un material, son las fuerzas entre los enlaces moleculares (fuerzas de atracción yrepulsión entre los átomos que las componen) las que determinan el comportamiento del material.Inicialmente, la mayor parte de los materiales cumplen con la Ley de Hooke, es decir, la fuerza que seaplica para estirarlo (o comprimirlos) es proporcional a la distancia de deformación. La constante deproporcionalidad se llama constante elástica, y está relacionada indirectamente con la energía delenlace, lo que podemos expresar como:

donde s representa el esfuerzo, que es la fuerza por unidad de área de sección transversal, Î es ladeformación o estiramiento del material, dada por el cambio en la longitud respecto a la longitudoriginal (l/l0 y E se conoce como módulo elástico o Módulo de Young el cual es una característica delmaterial.

Cuando un material es sometido a deformación por estiramiento, es posible determinar dos regionesbien marcadas en el comportamiento que presenta: la elástica, donde la deformación es proporcionalal esfuerzo aplicado: el material regresa a su forma original cuando la fuerza que actúa sobre él seelimina; y la plástica, en la que no existe proporcionalidad entre la fuerza aplicada y el estiramiento,en este caso el material no regresa a su forma original al anularse la fuerza que actúa sobre él.Generalmente, los materiales sometidos a fuerzas pequeñas siguen un comportamiento de tipoelástico, pero a medida que la fuerza crece el comportamiento pasa a ser del tipo plástico, y si lafuerza sigue creciendo, puede ocurrir la fractura del material.

En los materiales cerámicos y en los vítreos es fácil que ocurra la fractura, además es impredecible elmomento en que esto puede suceder, por lo que, aunque presentan un alto grado de biocompatibilidad,

no son muy usados en implantes.

La resistencia al impacto es la cantidad que puede absorber un material de energía debida a la fuerzaejercida sobre él por un golpe, es decir, por una fuerza grande en magnitud aplicada durante un tiempomuy corto. Ésta es otra de las pruebas que tiene que pasar un material que se requiere paraimplantación, los requisitos sobre la medida dependerán del uso que se le dé.

La dureza es una medida de la deformación plástica, y se define como la fuerza por unidad de área depenetración o identación en el material. Para determinarla de manera experimental, es claro que elmétodo dependerá del tipo de material de que se trate; en el caso de metales, por ejemplo, se incrusta



20

una punta de diamante en forma de pirámide en la superficie del material, con una fuerza conocida, yse mide la penetración que alcanza. Si se trata de un polietileno, se utiliza una esfera de aceroinoxidable sobre la superficie, midiéndose la penetración que alcanza para una carga dada.

Otra propiedad importante del material es la de termofluencia, es decir, la deformación que sufre conel tiempo al someterse a una carga conocida. La deformación elástica que sufre inicialmente elmaterial ante una carga dada, es seguida de una termofluencia (algo así como el corrimiento entre lascapas atómicas que lo constituyen, similar a lo que sucede con los fluidos), antes de que se presente la

fractura.

El desgaste de un material de implantes tiene importancia en especial si se trata de remplazar uniones.El desgaste del material está estrechamente relacionado con la fricción entre los dos materiales. Esimportante considerar el área real de la superficie que entra en contacto en la unión requerida ya que,en general, es mucho menor de lo que aparenta; ésta puede incrementarse con el peso que se aplicapara los materiales dúctiles y para los elásticos.

3.2 BIOMATERIALES POLIMERICOS

Existe una gran variedad de polímeros biocompatibles: los polímeros naturales, como por ejemplo lacelulosa, glucosalina, etcétera, y polímeros sintéticos, como, por ejemplo, polietileno de ultra altopeso molecular (UHMWPE), PVC, nylon, silicona, etcétera. El desarrollo de los biopolímeros en lasaplicaciones incluye prótesis faciales, partes de prótesis de oído, aplicaciones dentales; marcapasos,riñones, hígado y pulmones. Películas delgadas y capas de PVC se utilizan en bolsas dealmacenamiento y empaquetamiento quirúrgico de sangre y otras soluciones; partes de esófago,segmentos de arterias, suturas biodegradables, partes de implantes articulares en dedos, acetábulo decadera y rodilla, entre otros.

Atendiendo a su origen, los biomateriales pueden ser:

- naturales: son materiales complejos, heterogéneos y difícilmente caracterizables yprocesables. Algunos ejemplos son el colágeno purificado, fibras proteicas (seda, lana ...), etc..

- sintéticos: Los biomateriales sintéticos pueden ser metales, cerámicas o polímeros ycomúnmente se denominan materiales biomédicos, para diferenciarlos de los biomaterialesde origen natural.

En el caso particular de los biomateriales poliméricos, se puede hacer una clasificación según eltiempo que deben mantener su funcionalidad cuando se aplican como implantes quirúrgicos.

- En el primer grupo se incluyen todos aquellos implantes que deben tener un carácterpermanente, como son los sistemas o dispositivos utilizados para sustituir parcial ototalmente a tejidos u órganos destruidos como consecuencia de una enfermedad o trauma.

- En el segundo grupo, se incluyen los biomateriales degradables de aplicación temporal, esdecir, aquellos que deben mantener una funcionalidad adecuada durante un periodo de tiempolimitado, ya que el organismo humano puede desarrollar mecanismos de curación yregeneración tisular para reparar la zona o el tejido afectado.



21

Existen además otros biomateriales:

BIOMATERIALES METÁLICOSEn la década de 1920, Reiner Erdle y Charles Orange, quienes unieron sus conocimientos de médicodentista y metalurgia respectivamente, desarrollaron la aleación Vitallium, que fue el primerbiomaterial metálico aleado con características mecánicas de biocompatibilidad y de resistencia a lacorrosión, aceptables para aplicaciones en prótesis quirúrgicas. Esta aleación de cobalto (65% de Co,30 % de Cr y 5 % de Mo), fue el punto de partida para una serie de investigaciones multidisciplinarias

en el desarrollo de nuevas aplicaciones ortopédicas, como clavos, tornillos y fijadores de huesosfracturados, además de varios tipos de implantes de reemplazo articular, como cadera, rodilla, hombro,codo, entre otras.

Posteriormente, en la década de 1930 se desarrolla el acero inoxidable grado quirúrgico 316LQ, que esun acero con bajo contenido de carbono, 18 por ciento de cromo, 8 por ciento de níquel, y 2 por cientode molibdeno.

Otras aleaciones que han tomado gran importancia en aplicaciones aeronáuticas y aerospaciales, así como en aplicaciones médicas para implantes quirúrgicos, son las de base titanio, especialmente laaleación Ti6Al4V, la cual presenta ventajas superiores en peso, propiedades mecánicas y de resistenciaa la corrosión con respecto a las aleaciones base cobalto y acero inoxidable. Sin embargo, tiene unaresistencia baja al desgaste, así como un alto costo. Esta aleación ha sido modificada, intercambiandoel Vanadio por el Niobio, lo cual ha dejado una notable mejora en el índice de biocompatibilidad.

Por otra parte, con el objeto de incrementar la resistencia al desgaste, se ha implementado el uso derecubrimientos duros en cabezas femorales, aplicados mediante técnicas de depositación física en fasevapor (PVD), además de utilizar materiales cerámicos como alúmina (Al2O3) o circonia (ZrO2).

BIOMATERIALES CERÁMICOSLos biocerámicos son compuestos químicos complejos que contienen elementos metálicos y nometálicos. Debido a sus enlaces iónicos o covalentes, son generalmente, duros y frágiles. Además detener un alto punto de fusión y una baja conductividad térmica y eléctrica, los cerámicos se consideran

resistentes al desgaste. Los principales bioceramicos son alúmina, zirconia, hidroxyapatita,porcelanas, vidrios bioactivos, etcétera. Sus principales aplicaciones están en el sistema óseo, con todotipo de implantes y recubrimientos en prótesis articulares; también se utilizan en aplicaciones dentales,en válvulas artificiales, cirugía de la espina dorsal y reparaciones craneales.

Breve historia de los biomateriales en medicina

La primera aplicación de biomateriales en medicina no se produce hasta 1860 con la introducción delas técnicas quirúrgicas asépticas. A principios de 1900 se aplican las primeras placas óseas hechas demetal con la finalidad de separar roturas o fracturas. Durante los siguientes años las aleacionesmetálicas constituyen la única forma de biomateriales en uso. Sus aplicaciones se extienden desdereparaciones óseas hasta sistemas de liberación de medicamentos. No es hasta la Segunda GuerraMundial que se produce un rápido avance en la ciencia de los polímeros, principalmente enfocado alas aplicaciones médicas. El poli (metilmetacrilato) (PMMA) fue uno de los primeros polímerosutilizados como material biomédico, aplicándose como material par reparar la córnea humana[Robinson et al., 2001].

Los polímeros no únicamente reemplazaron a otros materiales en aplicaciones médicas, como lasustitución de los catéteres metálicos por polietileno, sino que abrieron el campo a otras nuevasaplicaciones antes difícilmente asequibles. Así, en 1950 se fabrica el primer corazón artificial, llevadoa la práctica a finales de 1960. En la actualidad los polímeros continúan en amplio crecimiento y susaplicaciones son cada vez mayores dentro del campo de la medicina, mejorando las propiedades de los



22

materiales ya existentes y desarrollando nuevos polímeros par aplicaciones específicas. En la figura 1se muestra una secuencia histórica de los polímeros de mayor relevancia en el campo de la medicinadesde su aparición.

3.3 EJEMPLOS DE APLICACIONES DE BIOMATERIALES

APLICACIONES BIOMÉDICAS

1) Equipos e instrumentos quirúrgicos

Esta área está cubierta por los termoplásticos y termoestables convencionales que se pueden encontraren diversas aplicaciones de la vida diaria. Se refiere a los materiales con los que se elaboraninyectadoras, bolsas para suero o sangre, mangueras o tubos flexibles, adhesivos, pinzas, cintaselásticas, hilos de sutura, vendas, etc. Los materiales más usados son aquellos de origen sintético y queno son biodegradables, como polietileno, polipropileno, policloruro de vinilo, polimetilmetacrilato,policarbonato.

2) Aplicaciones permanentes dentro del organismo

Los materiales utilizados en estas aplicaciones deben ser materiales diseñados para mantener suspropiedades en largos períodos de tiempo, por lo que se necesita que sean inertes, y debido a que suaplicación es dentro del organismo, deben ser biocompatibles, atóxicos para disminuir el posiblerechazo.

Las aplicaciones más importantes son las prótesis o implantesOrtopédicos, elementos de fijación como cementos óseos,

membranas y componentes de órganos artificiales, entre otros.Entre los materiales más utilizados se encuentran: polímerosfluorados como el teflón, poliamidas, elastómeros,siliconas, poliésteres, policarbonatos, etc.

El caso de prótesis vasculares, al ser un implanteexpuesto al contacto con la sangre, la propiedad fundamentalrequerida es que el material no provoque coagulación.

Considerando este requisito, se aplican fibras de PET, espumas depoli (tetrafluoroetileno) expandido, poliuretanos segmentados ysilicona porosa.

Otro de los campos donde los polímeros empiezan a tener una presencia significativa son losdispositivos de fijación ósea. Una de las opciones en este campo la constituyen los cementos óseos,que son mezclas de materiales cerámicos con polímeros sintéticos rígidos como elpolimetilmetacrilato.



23

También se han desarrollado numerosos estudios e investigaciones en el campo de implantesbiodegradables que permitan solucionar las dificultades anteriores. Los polímeros o copolímeros dePLGA son los más empleados para esta aplicación, gracias principalmente a su biocompatibilidad.

3) Aplicaciones temporales dentro del organismo

Actualmente, las suturas representan el campo de mayor éxito dentro de los materiales

quirúrgicos implantables. El principal motivo es que consisten en materiales biodegradables obioabsorbibles (principalmente polímeros biodegradables) de manera que la aplicación dentro delorganismo pasa de ser permanente a ser temporal.

Entre las aplicaciones temporales dentro del organismo hayque destacar también los sistemas de liberación de fármacos. Los polímeros son esenciales para todos los nuevos sistemas

de liberación desarrollados.

Finalmente, otra aplicación temporal importante es la de matrices en ingeniería de tejidos. Los

polímeros, particularmente los biodegradables, se emplean en el campo de la ingeniería de tejidoscomo andamiajes temporales en los que las células pueden crecer y formar tejidos.

En la figura se puede ver células de conejo adheridas a la placa Petri.

El intervalo de aplicaciones va desde productos de alto consumo (bolsas de sangre, jeringuillas), usoscon mayor contacto (catéteres intravasculares y urinarios), alta tecnología en implantes (válvulas decorazón, juntas, injertos vasculares) y sustitución de órganos (corazón artificial)

UNIDAD IV MATERIALES CERAMICOS

4.1 Procesamiento de los materiales cerámicos Los materiales cerámicos se caracterizan por las siguientes propiedades: • Son muy duros y presentanuna gran resistencia mecánica al rozamiento, al desgaste y a la cizalladura. • Son capaces de soportaraltas temperaturas • Tienen gran estabilidad química y son resistentes a la corrosión • Poseen una

amplia gama de cualidades eléctricas. Los materiales cerámicos son materiales ligeros. Su densidadvaría según el tipo de cerámica y el grado de compacidad que presenten. Son mucho más duros que losmetales.Los materiales cerámicos también se utilizan en la fabricación de otros materiales híbridosdenominados cermet, abreviatura de la expresión inglesa ceramic metals, compuestos principalmentede óxido de aluminio, dióxido de silicio y metales como el cobalto, el cromo y el hierro. Paraobtenerlos, se emplean dos técnicas: el sintetizado y el fritado. El sintetizado consiste en compactar lospolvos metálicos cuando presentan dificultad para ser aleados. El fritado consiste en someter el polvometálico junto al material cerámico a una compresión dentro de un horno eléctrico para obtener unaaleación.



24

4.2 Materiales cerámicos

Suelen definirse como unos materiales sólidos que no son metales ni polímeros, aunque puedencontener en sus estructuras elementos metálicos o poliméricos. Tienen baja conductividad eléctrica ytérmica y son usados a menudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos.Nuevas técnicas de procesos consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la

fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales seencuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos.

Entre los metales cerámicos puros destacan el óxido de aluminio, el nitruro de silicio y el carburo detungsteno. Estos materiales presentan una estructura atómica formada por enlaces híbridos iónico-covalentes que posibilitan una gran estabilidad de sus electrones y les confieren propiedadesespecíficas como la dureza, la rigidez y un elevado punto de fusión. Sin embargo, su estructurareticular tiene menos electrones libres que la de los metales, por lo que resultan menos elásticos ytenaces que éstos. Según su microestructura, podemos clasificarlos en: cerámicos cristalinos,cerámicos no cristalinos o vidrios y vitro cerámicos.

Cerámicos cristalinos Se obtienen a partir de sílice fundida. Tanto el proceso de fusión como el desolidificación posterior son lentos, lo que permite a los átomos ordenarse en cristales regulares.Presentan una gran resistencia mecánica y soportan altas temperaturas, superiores a la dereblandecimiento de la mayoría de los vidrios refractarios.Cerámicos no cristalinos Se obtienen también a partir de sílice pero, en este caso, el proceso deenfriamiento es rápido, lo que impide el proceso de cristalización. El sólido es amorfo, ya que losátomos no se ordenan de ningún modo preestablecidos. Vitro cerámicos Se fabrican a partir desilicatos de aluminio, litio y magnesio con un proceso de enfriamiento también rápido. Químicamenteson similares a los vidrios convencionales, pero la mayor complejidad de sus moléculas determina laaparición de microcristales que les confieren mayor resistencia mecánica y muy baja dilatacióntérmica.

4.3 Composición básica de los materiales cerámicos

Los materiales cerámicos como tal están conformados por otros cerámicos mas sencillos que le sirvende base, algunos de estos materiales de gran utilidad industrial que han servido como alternativa demetales y polímeros sintéticos son:

o Sílice (SiO2). Se presenta en la naturaleza en forma de cuarzo.o Silicatos (SiO44-). Lo minerales mas corrientes formados por estos compuestos son: Asbestos,

Talco (es usado como lubricante) y las Arcillas (como característica importante puedeasociarse con el agua permitiendo la formación de pastas plásticas de diferente consistencia).

o Alúmina. Su principal mineral es la bauxita, que es una mezcla de óxidos hidratados de

aluminio y hierro. Se emplea extensamente en las mezclas cerámicas y también en estadopuro. Tiene gran aplicación como material refractario, también se han utilizado tubos deAlúmina para lámparas de iluminación con vapor de sodio.

o Cal. Es importante en la constitución de morteros, cementos, etc., proviene de piedras calizas(CaCO3). Se les conoce también con las siguientes denominaciones: Cal viva (Productoobtenido por la calcinación del CaCO3) y Cal apagada (Producto resultante de la hidrataciónde la cal).

o Espinelas. Constituyen un mineral muy importante dentro de los compuestos cerámicos, degran aplicación en la industria de refractarios y eléctrica. En la industria eléctrica el interéspor esta estructura se debe a sus propiedades magnéticas.



25

o Las fibras de vidrio, que están compuestas por vidrio-polímeros y se usan en la formación deestructuras resistentes y como sustrato para circuitos impresos.

o Las cerámicas a base de titanato de magnesio, que, por sus notables características para laobtención de materiales dieléctricos, se usan para fabricar condensadores, materialesmagnéticos y chips de circuitos integrados.

Las cerámicas compuestas o composites (no confundir con los composites plásticos) son materiales deestructura muy compleja. Requieren técnicas de fabricación complicadas y tienen propiedades

especiales, como:

Para mejorar sus propiedades, se han desarrollado materiales híbridos o compositores. Estoscompuestos constan de una matriz de fibra de vidrio, de un polímero plástico o, incluso, de fibrascerámicas inmersas en el material cerámico, con lo que se consigue que el material posea elasticidad ytenacidad, y, por tanto, resistencia a la rotura.

Algunos de estos materiales se encuentran todavía en proceso de investigación, como lossuperconductores, de los que solo se han obtenido muestras microscópicas en laboratorio quepresentan esta propiedad, la superconductividad, a temperaturas muy bajas.

4.4 Aplicaciones de los materiales cerámicos

Las principales aplicaciones de las electrocerámicas pueden resumirse en: aislamientos eléctricos,semiconductores, substratos para circuitos integrados, resistencias, varistores, filtros, piezoeléctricos,condensadores, imanes, memorias, diodos láser, diodos emisores de luz, porcelanas traslúcidasresistentes al calor, fibras ópticas para comunicaciones, etc.

Pertenecen al grupo de las cerámicas especiales materiales muy diferentes, como:

La alúmina, que se usa como soporte en circuitos electrónicos. La zirconita y el carburo de silicio, muy resistentes al desgaste y al impacto y que se emplean

para fabricar herramientas de corte. La zirconita, además, se usa para fabricar joyas a bajo

precio por su aspecto vítreo y brillante, muy parecido al del diamante. Las ferritas, que tienen cualidades magnéticas y se emplean para fabricar imanes, altavoces y

varillas para antenas. Materiales ferroeléctricos. Son materiales en los que su distribución no es homogénea y al

aplicarles un campo eléctrico reorienta su estructura fortaleciendo sus enlaces y adquiriendouna estructura macroscópicamente detectable.

Materiales piezoeléctricos. Se caracterizan porque convierten eficazmente la energíamecánica en energía eléctrica o viceversa. Corresponden a la distribución asimétrica de cargasen un material ferroeléctrico que puede producir un cambio de polaridad por deformación delcristal. Con esta propiedad tienen gran aplicación en equipos medidores de ultrasonidos, en elsonar, etc., además las chispas que pueden inducirse por un alto voltaje producido se usa parala ignición en calentadores de gas, cocinas y mecheros.

Varistores. Estos elementos son el fruto de la propiedad de los materiales cerámicos a sercombinados con otros materiales por la dosificación de ciertas impurezas cristalinas en suproceso de fabricación convirtiéndose de esta manera en buenos conductores eléctricos. Deesta manera han encontrado aplicación como protectores automáticos contra cortocircuitos enmontajes eléctricos de prácticamente cualquier voltaje.

UNIDAD VI SUPERCONDUCTIVIDAD

EL DESCUBRIMIENTO de la superconductividad es uno de los más sorprendentes de la historia dela ciencia moderna. Está íntimamente ligado con el interés de los físicos del siglo XIX en licuar todos



26

los gases conocidos en aquel tiempo. Era ya bien sabido que la inmensa mayoría de los gases sólopodrían licuarse a temperaturas muy por debajo de cero grados centígrados. La licuefacción de losgases permitiría estudiar los fenómenos que se presentan en los materiales a temperaturas muy bajas.

Un par de años antes de la guerra de EUA contra México, esto es, en 1845, Michael Faraday de laRoyal Institution de Londres pudo, finalmente, perfeccionar una técnica para licuar gases que 23 añosantes había encontrado en forma accidental. Sin embargo, esta técnica no resultaba fácil para lalicuefacción del helio (He), del hidrógeno (H), del oxígeno (O2), del nitrógeno (N2), del metano

(CH4), del monóxido de carbono (CO), ni del óxido nítrico (NO), que eran los únicos gases quefaltaban por licuar de todos los que se conocían en aquella época y, en consecuencia, tampoco el airehabía sido licuado. Sin embargo, para 1867 el francés Luis Cailletet fue el primero en licuar oxígeno(90.2K o -182.96°C) y realizar descubrimientos que mostraron la posibilidad de licuar el aire, que a lapostre dieron origen al método que permitió licuar de manera sencilla y adecuada el gas helio.

En el mismo año de 1877, y siguiendo un método diferente del de Cailletet, el suizo Raoul Pictettambién pudo licuar oxígeno. Para 1898, James Dewar de la Royal Institution de Londres pudo licuarhidrógeno, que tiene una temperatura de ebullición de 20.8K, que corresponde aproximadamente a -252.36°C.

Fue diez años después, en 1908, cuando Heike Kamerlingh Onnes pudo, por primera vez en el mundo,obtener helio líquido que tiene una temperatura de ebullición de 4.22K, recuérdese que el ceroabsoluto equivale a -273.16°C. Este logro se realizó en la universidad de Leyden, Holanda y abrió elpaso a Onnes para su descubrimiento de la superconductividad.

Heike Kamerlingh Onnes. Descubridor de la superconductividad en 1911.

Con el helio líquido Kamerlingh Onnes pudo ya disponer de un baño térmico a muy bajastemperaturas y se dispuso a investigar las propiedades de la materia a esas temperaturas. Seleccionó,como uno de los temas de sus investigaciones a bajas temperaturas, el comportamiento de laresistividad eléctrica de los metales. Esto se debió a que la medición de esta propiedad se puederealizar con relativa facilidad a cualquier temperatura y, también, a que el tema de la resistividadeléctrica de los metales era, ya en aquel tiempo, de considerable importancia.



27

Las teorías existentes en esos tiempos sobre la resistividad eléctrica de los metales se encontraban enun estado bastante rudimentario. Se pensaba que eran probables cualquiera de las tres posibilidadesmostradas en la figura 2 para el comportamiento de la resistividad al disminuir la temperatura.

Comportamientos posibles del valor de la resistividad eléctrica de un metal al disminuir su

temperatura, de acuerdo con las ideas prevalecientes alrededor de 1908.

Se decía que la curva A de la figura 2 ocurriría si la resistencia eléctrica se debía completamente a ladispersión que los electrones sufrían por las vibraciones de la red atómica. Se esperaba que la curva Bpudiera ocurrir si las dispersiones de los electrones por las impurezas que estuvieran presentes fuesenimportantes. La curva C se produciría si los electrones de conducción, esto es, los electrones libres demoverse por el metal, disminuyeran rápidamente al disminuir la temperatura. Esto último seríaposible, se pensaba, si al disminuir la temperatura, y con ella la energía de movimiento de loselectrones, éstos pudieran ir quedando atrapados alrededor de los iones en el metal.

Kamerlingh Onnes se dispuso a averiguar, por medio de la experimentación, cuál era la verdaderavariación de la resistividad con la temperatura. Para comenzar, decidió examinar la primera hipótesis.

Para esto seleccionó el mercurio para estudiarlo, porque era el metal más puro que podía obtenerse enesa época. Cuando observó que la resistividad eléctrica del mercurio a una temperatura inferior a4.22K era menor, por un factor de 10-11, que su valor correspondiente a una temperatura un pocoarriba de 4.22 K, pensó que había verificado la validez de la hipótesis A de la figura 2.

Investigaciones posteriores le mostraron a Onnes que la resistividad no disminuía de manera continua,como se indica en la curva A de la figura 2, sino que desaparecía muy abruptamente a una temperaturade 4.15K. Por otro lado, también observó que este comportamiento no se alteraba al introducirimpurezas en la muestra de mercurio. Bien pronto se dio cuenta de la existencia de un nuevo estadodel mercurio, en el cual no había resistividad eléctrica. A este nuevo estado lo llamó estadosuperconductor. Así nació el estudio de los superconductores.

LOS MATERIALES SUPERCONDUCTORES

La transición del estado normal al estado superconductor puede ser tan bien marcada como que elcambio tenga lugar en un intervalo de un diezmilésimo de 1 K. En el cuadro 1 se muestra un conjuntode materiales superconductores con sus correspondientes temperaturas de transición.

Nótese el enorme salto en el valor de T c cuando empezaron a prepararse aleaciones con tierras raras(como el itrio), con cobre y oxígeno.



28

Hay algunas características de los materiales superconductores del tipo metálico (primera parte delcuadro 1, que no cambian con la transición al estado superconductor, entre ellas podemos señalar lassiguientes:

1) El patrón de difracción de los rayos X no cambia. Esto indica que no hay cambio en la simetría dela red cristalina. Tampoco hay cambio en la intensidad del patrón de difracción, lo que indica queprácticamente no hay cambio en la estructura electrónica.

2) No hay cambio apreciable en las propiedades ópticas del material, aunque éstas están usualmenterelacionadas con la conductividad eléctrica.

3) En ausencia de un campo magnético aplicado sobre la muestra, no hay calor latente en latransición.

4) Las propiedades elásticas y de expansión térmica no cambian en la transición.

Por otro lado, hablando de los materiales de la primera parte del cuadro 1, hay algunas propiedadesque cambian en la transición al estado superconductor como: a) Las propiedades magnéticas (quecambian radicalmente). En el estado superconductor puro prácticamente no hay penetración de flujomagnético en el material; b) el calor específico, que cambia discontinuamente a la temperatura detransición. En presencia de un campo magnético se produce también un calor latente de latransformación; c) todos los efectos termoeléctricos desaparecen en el estado superconductor, y d) laconductividad térmica cambia discontinuamente cuando se destruye la superconductividad enpresencia de un campo magnético.

CUADRO 1.

Sustancia Temperatura crítica (K)

W ( wolframio ) ~0.01

Ir ( iridio ) 0.014

Ti ( titanio ) 0.39

Ru ( rutenio ) 0.49

Zi ( zirconio ) 0.55

Cd ( cadmio ) 0.56

Os ( osmio) 0.66

U ( uranio ) 0.68

Zn ( zinc ) 0.88

Mo ( molibdeno ) 0.92

Ga ( galio ) 1.09

Al ( aluminio ) 1.19

Th ( toi-io ) 1.37

Re ( renio ) 1.70

In ( indio ) 3.40



29

Sn ( estaño ) 3.72

Hg ( mercurio ) 4.15

Ta ( tantalio ) 4.48

V ( vanadio ) 5.30

La ( lantano ) 5.91

Pb ( plomo ) 7.19

Tc ( tecnecio ) 8.20

Nb ( niobio ) 9.46

Aleación

V3 Ga 15.00

V3 Si 17.10

Nb3 Sn 18.30

Nb3 Al 18.80

Nb3 Ga 20.30

Nb3 Ge 23.30

Ba La4 Cu5 O13.4 35.00

YBa2 Cu3 O7 90.00

YBa4 Cu5 Ox 98.00

Tl2 Ba2 Ca Cu2 O8 99.00

Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 O10 110.00

Tl2 Ba2 Ca2 Cu3 O10 125.00

Hg Ba2 Ca2 Cu3 O8+x 133.00

La clase de aleaciones que se señalan en los últimos lugares del cuadro 1 son del tipo cerámico y dereciente descubrimiento. No se esperaba que materiales de este tipo pudieran tener temperaturas detransición al estado superconductor tan elevadas. Por ello es que no se habían explorado conanterioridad. A principios de 1987 comenzó a informarse sobre temperaturas de transición tan altascomo las mostradas al final del cuadro 1, a partir del compuesto cerámico BaLa4 Cu5 O13.4, que había

sido sintetizado y dado a conocer en 1986. Estos nuevos materiales son bastante complicados, en suestructura y propiedades. Su estudio y comprensión se ha ido realizando con bastante dificultad desdesu descubrimiento. Aún, no se entiende claramente cómo ocurre la transición al estadosuperconductor. Hay indicios de que es posible lograr una temperatura de transición aún más elevadaque las indicadas en el cuadro 1. Parece ser que el oxígeno desempeña un papel crucial en la aparicióndel estado superconductor y en el alto valor de la temperatura crítica, junto con el cobre. También seempieza a tener la certeza de que el efecto de dimensionalidad es muy importante. Esto quiere decirque en estos materiales los fenómenos dominantes para la superconductividad ocurren en dosdimensiones. Este espacio bidimensional corresponde a las capas de la estructura del material dondese encuentran el cobre y el oxígeno.



30

La obtención de este tipo de materiales superconductores se inició en Suiza, China y EUA, latecnología que implica su preparación es sencilla y está al alcance de los países del llamado TercerMundo, esto es, países que, cómo México, no tienen gran desarrollo industrial. Sin embargo, lainvestigación relacionada con la creación de nuevos materiales cerámicos superconductores de unatemperatura de transición al estado superconductor cada vez más alta requiere una gran inversión y unesfuerzo conjunto y coordinado de científicos de diversas especialidades. Esta conjunción ycoordinación de esfuerzos es difícil de lograr en nuestro país por el número relativamente bajo decientíficos que tenemos.

Figura 3. Heike Kamerlingh Onnes en su laboratorio, frente a su licuefactor de helio

SUS DIFERENCIAS

Existen diferencias importantes entre los superconductores que permiten clasificarlos en dos grandesgrupos. Ciertos metales; en particular los que tienen bajas temperaturas de fusión y son

mecánicamente suaves y de fácil obtención en un alto grado de pureza y libres de esfuerzos mecánicosinternos, exhiben semejanzas en su comportamiento en el estado superconductor. Estos materialessuperconductores reciben el nombre de superconductores ideales, superconductores Tipo I, o suaves.

Por otro lado, el comportamiento de muchas aleaciones y de algunos de los metales superconductoresmás refractarios es complejo e individual, particularmente con respecto a la forma cómo resultanafectados en el estado superconductor en presencia de un campo magnético. A estos superconductoresse les ha dado el nombre de superconductores Tipo II, o si la superconductividad se conserva aun bajola influencia de campos magnéticos intensos, se les conoce con el nombre de duros o de campointenso.

Para entender mejor estas diferencias, veamos cómo un campo magnético aplicado afecta a cada unode los tipos de superconductores que hemos mencionado. Para ello describiremos brevemente lo quees el efecto Meissner-Oschenfeld.

En 1933, W. Meissner y R. Oschenfeld encontraron experimentalmente que un superconductor secomporta de manera tal que nunca permite que exista un campo de inducción magnética en su interior.En otras palabras, no permite que un campo magnético penetre en su interior. El campo magnético enel interior de un superconductor no sólo está congelado, sino que vale siempre cero.



31

Una consecuencia inmediata de lo anterior es que el estado de magnetización del material que pasapor la transición superconductora no depende de los pasos que se hayan seguido al establecer elcampo magnético. Esta consecuencia marca también la diferencia fundamental entre lo que es unconductor perfecto y lo que es un superconductor. Por conductor perfecto entendemos un materialcuya resistencia eléctrica es igual a cero. En tanto que un superconductor, además de presentarresistencia cero, presenta también el efecto Meissner-Oschenfeld. Se puede demostrar fácilmente que,en un conductor perfecto, el campo magnético tiene un valor constante, esto es, está congelado en suinterior, pero no necesariamente vale cero, y esto trae como consecuencia que su estado de

magnetización dependa necesariamente de los pasos, que se hayan seguido para magnetizarlo.

Walter Meissner. Descubridor del efecto que lleva su nombre en los superconductores.

Es necesario señalar que, si bien existe una clara diferencia entre lo que es un superconductor y unconductor perfecto, los únicos conductores perfectos que se han encontrado hasta ahora en lanaturaleza son, precisamente, los superconductores. Aún no se descubren conductores perfectos

solamente, es decir, materiales con resistencia cero y sin que presenten el efecto Meissner-Oschenfeld.

EL DESORDEN

Sabemos, a partir de la termodinámica, que una medida del orden o del desorden en un sistema, la dael valor de la entropía. Si un sistema en un estado dado tiene un valor para la entropía mayor que elvalor para el mismo sistema en otro estado, se dice que el segundo estado es más ordenado que elprimero. De este modo, si los iones de un metal presentan un arreglo periódico, este estado tendrámenor entropía (y por tanto mayor orden) que el metal en estado líquido.

En otras palabras, el estado superconductor es más ordenado que el estado normal del material. Sin

embargo, ya vimos anteriormente que una de las propiedades del material que no cambia al pasar alestado superconductor es la estructura cristalina, lo que significa que el mayor ordenamiento que sepresenta en el material al pasar al estado superconductor no se debe a un mayor ordenamiento de la redcristalina, ya que ésta no sufre cambio alguno. El ordenamiento tiene que ser de la otra componentedel material, de la parte que corresponde a los electrones. Podemos esperar que los electrones lleguena un estado de mayor ordenamiento del que tienen en estado normal. Este hecho también dio una pautapara el establecimiento de una teoría microscópica de la superconductividad.

El cuanto (en latín quantum) de energía de vibración del arreglo tridimensional de osciladores recibe elnombre de fonón, en analogía al de fotón, que corresponde al cuanto de vibración del campo



32

electromagnético que da origen a la radiación luminosa. De esta manera, cuando hablemos de fonones,nos estaremos refiriendo a la energía de vibración de la red de iones de la red cristalina

Figura 9. Esquema que representa la aproximación armónica para un sólido.

Resulta claro que cuando hablamos de la interacción electrón-fonón estaremos, en esencia, hablandode las colisiones de los electrones con los iones, puesto que al chocar los electrones con los iones segeneran vibraciones en el arreglo tridimensional de osciladores.

Por otro lado, las oscilaciones en la gráfica de la interacción efectiva entre dos iones mostrada en lafigura 8, para distancias grandes (mayores que la correspondiente al primer mínimo) tienen unafrecuencia bien definida e igual a 2K F donde K F es el vector de onda de Fermi.

De lo señalado anteriormente para la interacción efectiva entre iones, resulta muy claro cómo los ionesde la red cristalina pueden llegar a tener una interacción efectiva de atracción por la acción de loselectrones y presentar, de este modo una estructura estable para el metal.

Si ahora nos preguntamos cómo podemos llegar a tener una interacción de atracción entre loselectrones de un metal para alcanzar el estado superconductor, de manera natural pensaremos que tieneque ocurrir por la acción de los iones de la red cristalina. Esta conclusión se ve reforzada por laexistencia del efecto isotópico, que ya hemos mencionado en una sección anterior.

Sabemos que en el vacío existe una repulsión entre electrones. En el interior de un metal, como yavimos, tenemos un gas de electrones. De esta manera la interacción electrón-electrón se da en

presencia de todos los demás electrones de conducción (o sea, los que tienen libertad de desplazarsepor el metal, los que no están ligados a los núcleos). La presencia de los demás electrones es tomadaen cuenta, con razonable precisión al estudiar los sólidos, a través de las aproximaciones conocidascomo teoría de perturbaciones y teoría de respuesta lineal, por la utilización de una función dieléctrica.La función dieléctrica sirve para tomar en cuenta el efecto de apantallamiento electrónico.

En el espacio físico, el de configuración, el potencial coulombiano de repulsión está dado por e2 /r,

donde e es la carga electrónica y r es la separación entre los electrones. Esta repulsión coulombianaqueda representada en el espacio de Fourier por 4 p/q

2. Cuando tomamos en cuenta la presencia de losdemás electrones, la repulsión coulombiana entre un par de ellos pasa a ser 4 /[q2 e(q)]. Esto es,



33

dividimos el potencial coulombiano entre la función dieléctrica, e(q), del gas de electrones. Es usualque tengamos e(q)> 1, lo que significa que la intensidad de la interacción entre los electrones se vereducida en el espacio de Fourier.

Aunque el signo de la interacción, no cambia, sino que sigue siendo repulsiva. Así queda muy claroque si es posible una interacción de atracción entre dos electrones en el metal, deberemos examinar elefecto de la red de iones sobre los electrones.

Figura 10. Electrón que, al viajar, puede atraer a otro electrón por medio de la red de iones conlo cual puede dar lugar a un par de Cooper.

De hecho, en 1956 L. N. Cooper demostró que, de existir una interacción atractiva entre dos electronesen un metal, estos electrones pueden permanecer ligados el uno con el otro. También demostró que elradio del estado ligado de los dos electrones es del orden de 104 (varios miles de distancias interiónicasen la red cristalina), que es, prácticamente, una magnitud microscópica.

Si pudiéramos llegar a un estado del material en que existieran pares de Cooper, es claro quetendríamos un superconductor ya que, por su enorme tamaño, habría una enorme cantidad de traslapesentre los pares de Cooper, creándose gigantescos enjambres de electrones unidos que no veríanresistencia a su paso.

Es interesante hacer notar que el mismo Cooper, en su artículo del año 1956, donde trata el problemadel par de electrones, menciona que unos años antes, en 1952, V. L. Ginzburg publicó un trabajo endonde considera un problema semejante al par que considera Cooper. En palabras del propio Cooper,cuando hace referencia al trabajo de V. L. Ginzburg de 1952: "También ha sido sugerido que laspropiedades superconductoras pueden resultar si se considera que los electrones pudieran combinarseen agrupamientos pares de tal manera que los agregados resultantes obedecen la estadística de Bose."De este modo podríamos decir que Ginzburg se anticipó en la idea algo así como cuatro años y medio(el trabajo de Cooper se publicó en el mes de diciembre de 1956). A pesar de que el par de Coopertiene espín total cero y corresponde a un par de electrones ligados y pudiera en algunos aspectos seguirla estadística de Bose no es, estrictamente hablando, un bosón.

Esto puede entenderse fácilmente si se recuerda que el par de Cooper está constituido por doselectrones ligados entre sí. De este modo, los elementos del par de Cooper tienen que satisfacer laestadística de Fermi, ya que deben seguir cumpliendo con el principio de exclusión de Pauli. Estopuede entenderse fácilmente si se recuerda que el par de Cooper está constituido por dos electrones



34

ligados entre sí. De este modo, los elementos del par de Cooper tienen que satisfacer la estadística deFermi, ya que deben seguir cumpliendo con el principio de exclusión de Pauli.

Figura 11. Representación, en el espacio de Fourier, del problema del par de cooper.

Figura 12. Probabilidad P(r) dV 1 dV 2 de encontrar a un electrón con vector de onda - k y espín

para abajo en un volumen dV 2 a una distancia r de un volumen dV 1 que contiene a un electróncon vector de onda k y espín para arriba. Para el metal en el estado normal es n2 /4, donde n es la

densidad electrónica clásica. Para el estado superconductor la probabilidad es mayor, comopuede verse en la gráfica, dentro de un intervalo ~ 10

-4 cm.

El mecanismo que brevemente hemos expuesto para tener la posibilidad de una atracción entre doselectrones es el que se tiene en los superconductores convencionales. Para los nuevos materialessuperconductores cerámicos no se sabe con certeza el mecanismo que lleva a la formación de los paresde Cooper. Se tiene ya evidencia de que, al menos en parte, los fonones contribuyen a la formación delos pares de Cooper. Esto es por la presencia de un débil efecto isotópico. También es claro ya que los



35

fonones no son los únicos posibles responsables de la formación de los pares de Cooper y que todoparece indicar que hay varias contribuciones para la formación de éstos. Para los materiales cerámicossuperconductores no existe aún una teoría satisfactoria acerca del origen de la superconductividad enellos. Aunque hay varias propuestas, la controversia no está resuelta.

En 1957, J. Bardeen, L. Cooper, y R. Schrieffer, utilizando la idea del par de Cooper, se abocaron a latarea de resolver el problema teórico desde el punto de vista de la mecánica cuántica, de lasuperconductividad en un metal. Supusieron que la interacción atractiva entre dos electrones era por

medio de los iones del metal. Tuvieron un éxito rotundo para explicar el fenómeno, especialmente enlo que se refiere a los resultados experimentales de los superconductores ahora conocidos como deTipo I. Por su teoría, ahora conocida como teoría BCS, Bardeen, Cooper y Schrieffer recibieron elpremio Nobel de Física en 1972.

Actualmente se piensa que todos los metales, que son buenos conductores de electricidad, pueden enprincipio convertirse en superconductores a temperaturas suficientemente bajas.

EL ESTADO INTERMEDIO

En electromagnetismo es conocido el fenómeno de la desmagnetización, debido al cual la intensidadde campo magnético, H , en el interior de un cuerpo es un campo desmagnetizante. La forma en queeste campo magnético se distribuye depende, en general, de la geometría de la muestra. Para unamuestra que es un elipsoide de revolución, con un campo magnético aplicado, H a, paralelo al eje derevolución de la muestra (figura 13), es posible demostrar que el campo interno es uniforme y paraleloal campo aplicado y que está dado por: H int = H a - nM , donde M es la magnetización y n es un factorconocido como factor de desmagnetización y que depende de la geometría del cuerpo.

Figura 13. Muestra cilíndrica en el seno de un campo magnético perpendicular al eje delcilindro. En el interior del cilindro el campo magnético es mayor que fuera de él, por el factor dedesmagnetización.

Para un elipsoide alargado, n = (1/ e - 1)[(1/2e)ln((1 + e)/ (1 - e)) - 1], donde e es la excentricidad delelipsoide. Para una esfera, n = 1/3; para un cilindro circular recto con su eje perpendicular al campomagnético aplicado n = 1/2 y para el mismo cilindro, pero con su eje paralelo al campo aplicado, n =0.

Para el caso de un superconductor: M = - H int y así:



36

De este modo tendremos que el campo magnético en el interior de la muestra va a ser más intenso queen su superficie exterior y así, antes de que el campo aplicado externamente llegue al valor del campocrítico de la muestra tendremos que, en su interior, el valor del campo crítico ya ha sido alcanzado. Al

imponer las condiciones de frontera que debe satisfacer el campo H (condiciones de frontera entre lasregiones en estado normal y las regiones en el estado superconductor), se deduce que no existe unasuperficie con fronteras simples para la que se puedan satisfacer las condiciones para el campo H.

El problema puede resolverse notando que las fases normal y superconductora pueden existir una allado de la otra en equilibrio, de la misma manera que un líquido puede coexistir con su vapor si lapresión es igual a la presión del vapor de saturación. Una posible configuración podría constar, porejemplo, de zonas cilíndricas, delgadas, en estado normal, coexistiendo con la región superconductora.Algunas líneas del campo magnético podrían penetrar la muestra por las regiones en estado normal.

Dos de los primeros que informaron sobre la existencia del estado intermedio fueron Shalnikov y

Meskovsky, quienes, en 1945, 1947 y 1949, realizaron experimentos muy interesantes al respecto. Loque hicieron esencialmente en sus experimentos fue explorar la presencia del campo magnético en unapequeña separación entre dos hemisferios de estaño superconductor de un diámetro de unos 4 cm. Laexploración del campo magnético entre los dos hemisferios se hizo utilizando un alambre de bismutomuy pequeño.

Figura 14. Diagrama de fases de un material superconductor Tipo I, en términos del campo

magnético aplicado y la temperatura. Las regiones que quedan fuera del cuadro quecorresponde al estado superconductor, pero que quedan fuera de la zona del estado normal,corresponden al estado intermedio.

Se utilizó bismuto para aprovechar su resistividad, que es muy sensible a la presencia de un campomagnético. Por medio de la sonda de bismuto, se midió el valor del campo magnético adyacente a ella,el cual resultaba cero en la vecindad de regiones superconductoras y era igual, a oH c, en las regionesnormales. Desde luego que la distribución de regiones normales y superconductoras resultó muchomás complicada que la estructura que aquí se ha sugerido, pero lo más importante es que se demostró



37

muy claramente la coexistencia de fases normales y superconductoras, esto es, la existencia del estadointermedio (figura 15).

Figura 15. Fotografía que muestra la existencia del estado intermedio en un superconductorTipo I. Las partes oscuras son las superconductoras y las claras son las que se encuentran ya enestado normal.

Otros métodos para la observación del estado intermedio se basan en la tendencia de las partículas dematerial ferromagnético a acumularse en regiones de alta intensidad de campo magnético y departículas de material superconductor (que es un diamagneto perfecto) a acumularse en regiones debaja intensidad de campo magnético.

EL HIDRÓGENO METÁLICO

Fue en 1935 cuando Eugene Wigner (premio Nobel de Física en 1963 por sus contribuciones al

estudio del núcleo atómico y las partículas elementales), y Helen Huntington predijeron que elhidrógeno podría llegar a una fase metálica si se le aplicaba una presión hidrostática suficientementealta. Desde entonces se ha intentado su obtención en el laboratorio para el estudio de sus propiedades.

En 1968 N. W. Ashcroft sugirió por vez primera que el hidrógeno metálico podría ser un materialsuperconductor. Se interesó en este material al notar que Júpiter, planeta que está compuestoprincipalmente de hidrógeno, presentaba un campo magnético anómalamente intenso. A saber que laspresiones en el interior de Júpiter eran enormes (del orden de millones de atmósferas), hizo laconjetura de que quizá el hidrógeno se encontraba allí en estado metálico. Con esta suposición ytomando el valor de algunos parámetros del hidrógeno en estado metálico, hizo una estimación delvalor de la posible temperatura de transición superconductora. Obtuvo un valor, de alrededor de 100Kelvin, que es una temperatura comparable a la existente en el interior de Júpiter. Así sugirió Ashcroftque el campo magnético de ese planeta podría deberse a que el hidrógeno que lo compone se halla enestado superconductor.

Pero había que hacer cálculos mucho más serios y detallados antes de afirmarlo con toda certeza.Cálculos posteriores, sumamente detallados y precisos realizados en México (en el Instituto de Físicade la UNAM) llevan a valores de una temperatura de transición para el hidrógeno metálico dealrededor de 300 Kelvin, reforzándose así la sugerencia hecha por Ashcroft. Los cálculos sobre ladensidad del hidrógeno en Júpiter varían de 0.l gr/cm3, en la superficie a 5 gr/cm3 cerca del centro, loque indica que el hidrógeno bien puede estar en estado sólido y que, además, pudiera ser metálico.



38

En el laboratorio, el hidrógeno metálico es difícil de obtener. Sin embargo, en 1972 un grupo decientíficos soviéticos (Grigorev y colaboradores) lo obtuvo por vez primera. También en la URSS, en1975, Vereshchagen y colaboradores lo obtuvieron nuevamente. Utilizaron una técnica de implosiónde dos cilindros concéntricos para alcanzar las elevadas presiones que se requieren y observaron uncambio brusco en el valor de la conductividad eléctrica del hidrógeno. Desde luego que solamente semantuvo por unas fracciones de segundo, insuficientes para detectar las propiedades de este material.

En Japón también, en 1980, se informó sobre la obtención de hidrógeno metálico con una técnica muy

distinta, en la que las altas presiones se obtenían por medio de presiones ejercidas con un tornillo. Peroparece que este experimento no ha sido reproducible. Posteriormente se pudo obtener hidrógenocristalino, pero sin llegar a establecer si era metálico, ejerciendo presión sobre el material por mediode yunques de diamante, a presiones de 2.5 millones de atmósferas. Esto fue a mediados del decenio1980-1990. En marzo de 1996 se obtuvo hidrógeno metálico a partir de hidrógeno fluido utilizando uncañón de dos etapas para crear una onda de choque de enorme presión sobre un blanco que conteníahidrógeno líquido enfriado a 20 K. El experimento fue realizado en el Laboratorio Nacional LawrenceLivermore, de Estados Unidos. La presión requerida fue de 1.4 millones de atmósferas. El estadometálico del hidrógeno no duró lo suficiente como para determinar si se encontraba en el estadosuperconductor.

La posibilidad de obtener un superconductor de alta temperatura crítica ha sido muy atractiva desde elmomento en que se descubrió la superconductividad. Los beneficios tecnológicos que se obtendríanson muy claros y nos referiremos a ellos en el último capítulo. Se ha desplegado un enorme esfuerzo,tanto teórico como experimental, hacia la consecución de un material superconductor de altatemperatura crítica, y no fue sino hasta 1987 cuando, con una clase totalmente nueva de materialessuperconductores, los superconductores cerámicos, se lograron temperaturas del orden de 100 Kelvin.El manejo tecnológico de los materiales cerámicos es bastante problemático, pero no es imposible.

Los superconductores cerámicos pertenecen a la clase conductores denominados Tipo II osuperconductores duros. Presentan elevados valores para el campo magnético crítico. En el siguientecapítulo nos ocuparemos de las principales características de los superconductores Tipo II.

LOS SUPERCONDUCTORES DUROS

EL ESTADO MIXTO

Como ya se mencionó, existe otra clase de superconductores que recibe el nombre desuperconductores Tipo II o superconductores duros. Estos presentan propiedades magnéticas muydiferentes a los del Tipo I que ya hemos analizado.

En 1957, por vez primera, el científico soviético Abrikosov publicó un estudio teórico en el queseñalaba que podía haber otra clase de superconductores con propiedades diferentes de los estudiadosexperimentalmente hasta entonces. Daba como característica esencial de estos materiales el hecho deque presentan una energía superficial negativa para fronteras que separan la parte que se encuentra en

estado normal de la parte que se encuentra en estado superconductor en el material. Recordemos que laenergía superficial es la energía mínima que se necesita para crear una superficie en un material. Deesta manera, la inmensa mayoría de los materiales conocidos en la naturaleza tienen una energíasuperficial positiva, lo que significa que es necesario invertir cierta cantidad de energía para formaruna superficie en un material. Por ejemplo, si tenemos un trozo de metal, para crear una nuevasuperficie en él (por ejemplo, partiéndolo) tendremos que invertir cierta cantidad de energía. De estemodo queda claro el significado de tener una energía superficial negativa entre una parte en el estadonormal y una parte en el estado superconductor. Para un superconductor duro (o Tipo II) será másconveniente, porque disminuirá su energía total, tener la frontera más grande posible entre su parte en



39

estado normal y su parte en el estado superconductor. Esta circunstancia explica la existencia delllamado estado mixto en los superconductores Tipo II.

Visto de una manera un poco distinta, se puede decir que, como un material toma siempre laconfiguración de energía libre total mínima, tendremos que para un valor de la energía superficialnegativa suficientemente grande entre una parte normal y una parte superconductora del material,podrían formarse un gran número de regiones normales en él cuando se aplicara un campo magnético.La configuración que tomaría el material sería tal que el área entre la parte normal y la parte

conductora sería lo más grande posible, lo que podría lograrse si el material superconductor sedividiera en una mezcla, a muy fina escala, de regiones normales y superconductoras cuyas fronterasfueran paralelas al campo magnético aplicado. De hecho, esta configuración existe y se le denominaestado mixto.

Es muy importante distinguir entre lo que es el estado mixto y lo que es el estado intermedio.Recuérdese que el estado intermedio aparece en los superconductores Tipo I en virtud de la formageométrica de la muestra; que lleva a asignarle un valor del factor de desmagnetización diferente decero. El estado mixto, por otra parte, es una característica intrínseca de los superconductores Tipo II yque aparece aun si la forma de la muestra es tal que lleve a asignarle un valor del factor dedesmagnetización igual a cero. Además, la estructura del estado intermedio es relativamente gruesa ypuede verse a simple vista. El estado mixto, en cambio, presenta una estructura mucho más fina, conuna periodicidad de menos de 10-5 cm.

El superconductor en el estado mixto está atravesado por finos cilindros de material en estado normalque son paralelos al campo magnético aplicado. Estos cilindros reciben el nombre de núcleosnormales, los cuales quedan distribuidos en un arreglo periódico triangular. Al estudiar con detalle laenergía libre del estado mixto del superconductor Tipo II, se obtiene que la estructura del estado mixtoes como la que se muestra en la figura 16. También se encuentra que las propiedades delsuperconductor en el estado mixto varían de una manera periódica con la posición.

Figura 16. Estructura del estado mixto. Éste sólo se presenta en los superconductores Tipo II yes muy diferente en su origen al estado intermedio.

Hacia el centro de cada núcleo normal, el número de electrones en el estado superconductor tiende acero.



40

El material, como un todo, es diamagnético. El campo magnético aplicado recibe la oposición de uncampo magnético generado por corrientes superficiales que circulan alrededor del perímetro de lamuestra.

Dentro de cada núcleo normal que atraviesa al material hay un flujo magnético que tiene la mismadirección que el flujo del campo aplicado. El flujo, dentro de cada núcleo normal, es generado por unvórtice de corriente persistente que circula alrededor de él, con un sentido de rotación opuesto al de lacorriente en el perímetro de la muestra.

El flujo total generado en cada núcleo por la corriente que contiene es igual a un flujón, que es uncuanto de flujo magnético. El flujón tiene un valor de h /2e = 2.07 x 10-15 Weber.

EL EFECTO DE PROXIMIDAD

Este efecto, que había sido sugerido por Cooper en 1961, consiste en que las propiedadessuperconductoras de las películas metálicas delgadas pueden verse seriamente afectadas por elcontacto directo con otros metales: si tenemos capas delgadas de material superconductor depositadassobre un metal en estado normal podrían pasar al estado normal a pesar de estar a una temperaturainferior a la temperatura crítica y en ausencia de un campo magnético (que, como hemos visto, puededestruir el estado superconductor). Recíprocamente, si tenemos capas delgadas de material en estadonormal depositadas sobre un material en estado superconductor podrían pasar al estadosuperconductor.

Los primeros experimentos que verificaron la existencia del efecto de proximidad fueron realizadospor Meissner entre 1958 y 1960, quién encontró que una película de cobre depositada sobre estaño(encontrándose el estaño en estado superconductor) se volvía superconductora.

El argumento intuitivo para justificar la aparición del efecto de proximidad puede expresarse de lasiguiente manera. Como explicó Cooper en 1961, es necesario distinguir entre el alcance de lainteracción atractiva entre electrones y la distancia sobre la cual, como un resultado de estainteracción, los electrones están correlacionados en pares de Cooper. El alcance de la interacción

atractiva es muy corto, del orden de 1 ángstrom (del orden del tamaño de la celda unitaria en la redcristalina). La distancia de correlación para los pares de Cooper es del orden de 104 angstroms (o 10-4 cm). En virtud de esta longitud de coherencia grande para los pares de Cooper, éstos puedenextenderse considerablemente dentro de una región en la cual la interacción entre electrones no esatractiva. Así, cuando una película delgada de material superconductor está en contacto con unapelícula de material en estado normal, la formación de pares de Cooper puede extenderse a ambascapas.

Es interesante hacer notar que las teorías existentes sobre el efecto de proximidad sólo dan unaconcordancia cualitativa con los resultados experimentales.

También hay bastantes dificultades en lo que se refiere a la parte experimental del efecto de

proximidad. Por una parte, es difícil obtener a nivel microscópico fronteras bien definidas entre losmetales. Depositar películas delgadas a la temperatura ambiente puede llevar a que se produzca algode difusión de un material en el otro y la formación de aleaciones si los materiales no se seleccionanadecuadamente. Por otra parte, depositar películas delgadas a bajas temperaturas dificulta mucho ladeterminación precisa del espesor de ellas.

5.2 NUEVOS SUPERCONDUCTORES

En abril de 1986 se anunció el descubrimiento de unos nuevos materiales superconductores que erancerámicos y que presentaban una temperatura de transición superior a cualquiera de los materiales



41

existentes en esas fechas. En la actualidad, la temperatura crítica de transición superconductora másalta reportada es de alrededor de 135K, bastante arriba de la temperatura de ebullición del nitrógenolíquido, que es un refrigerante de precio muy económico y fácil de obtener en México. También hayindicios muy prometedores de que se podrán lograr temperaturas de transición quizá por arriba de200K.

El descubrimiento de este nuevo tipo de superconductores fue realizado por J. C. Bednorz y K. A.Müller en un laboratorio de investigación de la compañía IBM en Zurich, Suiza. Por vez primera,

después de más de 12 años fue posible encontrar una sustancia con una temperatura de transiciónsuperior a 23.3 Kelvin. En su investigación leyeron un artículo científico que resulta pieza clave en sutrabajo. Se debía a los científicos franceses C. Michel, L. Er-Rakho y B. Raveau, y en él se presentabaun nuevo material cuyas características de ser un óxido metálico nuevo de cobre de valencia mixta loconvertían en candidato ideal para presentar superconductividad, de acuerdo con las hipótesis detrabajo de Bednorz y Müller. La composición de este material es: BaLa4Cu5 O13·4. Bednorz y Müllerempezaron a explorar sus propiedades, variando la concentración de Ba. En la primavera de 1986publicaron su artículo anunciando la superconductividad a una temperatura de 35 Kelvin en esta clasede compuestos. En éstos, el arreglo de los iones corresponde a una geometría típicamente conocidacomo perouvskita y que es muy común entre los materiales llamados ferroeléctricos.

El rápido progreso que se ha alcanzado para encontrar materiales de este tipo, con temperaturas detransición superconductora cada vez más altas, ha sido realmente sorprendente. Muy pocos avancescientíficos, si es que ha habido alguno, han generado tal flujo de actividad científica casi frenética entodo el mundo y, al mismo tiempo, un interés inmediato y muy grande entre el público en general. Loque la inmensa mayoría pensaba ya como algo imposible es ahora algo real y palpable: tenersuperconductividad a temperaturas mayores que las el nitrógeno líquido.

El trabajo de Bednorz y Müller les valió el premio Nobel de Física de 1987. Es interesante notar quees la segunda vez que se otorga un premio Nobel a temas relacionados con la superconductividad.

Casi inmediatamente después del anuncio del descubrimiento de Bednorz y Müller, muchos grupos decientíficos en el mundo se lanzaron a tratar de obtener temperaturas de transición más altas. Uno de los

grupos más exitosos ha sido el del doctor Paul Chu, de la Universidad de Houston, uno de los primerosen darse cuenta de la importancia del descubrimiento de Bednorz y Müller, quien se dedicó de lleno ala investigación de este tipo de materiales. Pronto encontraron que la temperatura crítica podía seraumentada a 57 Kelvin aplicando presión al material. Tanto la magnitud del cambio en Tc, como elhecho de que aumentara con la presión aplicada eran anormales si se comparan con lossuperconductores conocidos con anterioridad a estos nuevos materiales. Con esto en mente, Chu y suscolaboradores empezaron a buscar maneras de simular una "presión interna" en estos materialesreemplazando el lantano (La) con iones parecidos, como el de itrio (Y). A fines de febrero de 1987,Chu anunció que había encontrado un compuesto que tenía una temperatura de transición al estadosuperconductor mayor de 90 Kelvin. La composición de este material está dada por YBa2Cu3Ox. Casisimultáneamente se anunció la obtención de un material de composición semejante y propiedadessimilares en China. En unos pocos días, con composiciones que eran variantes de la reportada por Chu

y sus colaboradores, una docena de grupos alrededor del mundo informaron sobre la obtención demateriales superconductores cerámicos con temperaturas de transición arriba de los 90 Kelvin, que yahan sido preparados en la Universidad Nacional Autónoma de México; la manera de sintetizarlos esmuy sencilla y puede efectuarse con la tecnología que está al alcance de los países del llamado TercerMundo.

Es muy claro que disponer de materiales superconductores de temperatura crítica por arriba delnitrógeno líquido es una realidad en nuestro país y en muchas otras naciones tercermundistas. Tambiéncomienza a ser muy claro que con ellos el mundo no volverá a ser el mismo. Es muy probable que, una



42

vez más, la física cambiará nuestra manera de vivir como ocurrió con el advenimiento del motoreléctrico, del transistor, etcétera.

Vale la pena señalar que las perouvskitas de cobre y oxígeno, los nuevos materiales superconductores,habían sido muy estudiadas en la última década, especialmente por Raveau, Michel y colaboradores.Gran parte de su trabajo sentó las bases para alcanzar un rápido progreso inmediatamente después deldescubrimiento de Bednorz y Müller. El interés inicial por estos materiales radicó en la alta movilidaddel oxígeno a temperaturas elevadas, lo que altera su comportamiento eléctrico, de manera tal que se

había sugerido, como una de sus posibles aplicaciones, la de sensor de oxígeno. Muchos estudios handejado bien claro ahora que las propiedades superconductoras del compuesto de itrio (Y), bario (Ba) ycobre (Cu) (muy ampliamente conocido como el 1-2-3, por su composición: YBa2Cu3Ox) dependencríticamente en la cantidad y en el ordenamiento de oxígeno, que a su vez depende de los detalles delproceso para su obtención.

En cuanto a las mediciones de las propiedades superconductoras de estas muestras es convenienteseñalar lo siguiente.

Las caídas abruptas de la resistividad eléctrica a cero constituyen un indicador pobre, y ademáspeligroso, de la presencia del estado superconductor. Este comportamiento, puede provenir de muchassituaciones que no corresponden a un estado superconductor y que tienen que ser cuidadosamenteexploradas antes de emitir conclusión alguna acerca de si se tiene o no un superconductor. Porejemplo, es común que se encuentre que las caídas abruptas del valor de la resistencia hacia cero sedeban a problemas de corto circuitos o, en la técnica de las cuatro puntas que es tan usual para estetipo de mediciones, al problema de las fases eléctricas. En la práctica se encuentra que las muestrasque han sido sobreprocesadas y que contienen muchas fases distintas del material son más susceptiblesde presentar este tipo de problemas, ya que son tan heterogéneas en su comportamiento eléctrico quepueden llevar a trayectorias alternativas para la corriente entre los electrodos y a resistencias decontacto que varían grandemente con la temperatura.

Por otro lado, se sabe ya que en estos materiales se tienen pares de Cooper. En efecto, el 30 de abril de1987 se tuvo la evidencia experimental de su presencia. El experimento se realizó en la Universidad de

Birmingham, Inglaterra, siguiendo el mismo principio que se utilizó en un experimento realizado en1961 con el mismo fin. Claro que se empleó equipo más refinado. En esencia, el experimento serefiere a la determinación de la cuantización del flujo magnético que está dada en términos de losportadores de carga del material, que resulta ser de dos veces la carga de un electrón, o lo que es lomismo, la carga que corresponde a un par de Cooper. Sin embargo, no existe una teoría convincente,hasta el momento, de cómo se forman estos pares de Cooper.

Por otro lado, se ha reportado ya la manera en que el calor específico de estos materiales varía con latemperatura. Se produce de manera muy diferente de como sucede en el caso de los superconductoresconvencionales. En los superconductores cerámicos el calor específico varía linealmente con latemperatura. En tanto que en el caso de los superconductores convencionales, como ya hemos visto, seda una variación exponencial con la temperatura.

La estructura de estos materiales corresponde a la estructura conocida como perouvskita, que es unaestructura típica de los materiales ferroeléctricos. Además, el contenido, de oxígeno parece sersumamente importante para las propiedades superconductoras.

Uno de los problemas más importantes a resolver en estos materiales y que se ha estudiado poco hastael momento, es el que se refiere al deterioro del material, pues al transferir un cierto tiempo el materialdeja de presentar propiedades superconductoras. El tiempo para que esto ocurra es de semanas ydepende mucho del tipo de atmósfera en que se conserven las muestras. La complejidad química de losmateriales superconductores de alta temperatura crítica implica una estabilidad limitada. De los



43

sistemas de alta T c, el 1-2-3 es el más susceptible de deterioro, y los de lantano, bario, cobre y oxígenoson de los más estables. El deterioro se puede evitar dando a los materiales un recubierta de protecciónde un material que no reaccione con la atmósfera circundante.

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 granintensidad 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 delos superconductores convencionales (no de los nuevos superconductores cerámicos), actualmente noson competitivos comercialmente con respecto a los cables aéreos normales, a menos de que cubranuna gran distancia (de cientos de kilómetros). En los casos en que las líneas de transmisión deben sersubterráneas, habría cierta ventaja económica con la utilización de los cables superconductores.

3) La fabricación de componentes circuitos electrónicos. Estos dispositivos electrónicos fueronideados originalmente con la intención de utilizar la transición de estado normal a estadosuperconductor como un interruptor, mas resultaron decepcionantes con respecto a los logrosalcanzados por los transistores de películas delgadas y se ha abandonado su uso en este aspecto. Estepanorama puede cambiar con el descubrimiento de los nuevos materiales superconductores cerámicos.La aplicación más importante, en cuanto a la cantidad de material empleado, es y será por muchotiempo la producción de campos magnéticos, que se emplean, principalmente, en los laboratorios defísica con fines de investigación, y es común ver pequeños electroimanes superconductores que sirvenpara producir campos magnéticos con intensidades del orden de 103 Oersted. Dentro de lainvestigación en el campo de la física, también se utilizan electroimanes superconductores paragenerar campos magnéticos altamente estables, útiles en los estudios de la resonancia magnéticanuclear y la microscopía electrónica de alta resolución. Son muy utilizados en las cámaras de burbujasque sirven para la detección de partículas y que requieren campos magnéticos muy intensos.

Por otro lado, se espera que los motores y generadores superconductores tengan enormesconsecuencias en lo social y económico, en unos años más, pues para su elaboración se utilizancampos magnéticos intensos. También se desea utilizar electroimanes superconductores para lalevitación 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 serla temperatura de operación del dispositivo fabricado, reduciéndose de esta manera los costos porrefrigeración 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 lamuestra 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 cantidadde material que debe refrigerarse.

4) La mayor estabilidad posible. Es muy común que los superconductores sean inestables bajocambios repentinos de corriente, de campos magnéticos, o de temperatura, o bien ante choques



44

mecánicos e incluso por degradación del material al transcurrir el tiempo (como ocurre en muchos delos nuevos materiales superconductores cerámicos). Así que, si ocurre algún cambió súbito cuando elsuperconductor está en operación, éste podría perder su estado superconductor. Por eso es convenientedisponer de la mayor estabilidad posible.

5) Facilidad de fabricación. Un material superconductor será completamente inútil para aplicacionesen gran escala si no puede fabricarse fácilmente en grandes cantidades.

6) Costo mínimo. Como siempre, el costo es el factor más importante para considerar cualquiermaterial 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 laactualidad existen algunos métodos alternativos que emplean campos magnéticos pero, si se aplica lasuperconductividad 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 yeconómicamente posible.

Algunas de las aplicaciones más importantes de los electroimanes superconductores, sin que la listapretenda ser exhaustiva, es la siguiente:

1) Aplicaciones biológicas. Se sabe desde hace mucho tiempo que los campos magnéticos intensosafectan el crecimiento de plantas y animales. Así, se han utilizado electroimanes superconductorespara generar campos magnéticos intensos y estudiar sus efectos en el crecimiento de plantas yanimales y, además, analizar su efecto en el comportamiento de estos últimos.

2) Aplicaciones químicas. Es un hecho conocido que los campos magnéticos pueden cambiar lasreacciones 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 lasfunciones vitales del cuerpo humano.

4) Levitación. Una aplicación muy importante es en el transporte masivo, rápido y económico. La ideade usar una fuerza magnética para hacer "flotar" vehículos de transporte ha estado en la mente de loscientíficos por casi un siglo y la posible aplicación de la superconductividad a este problema lo harenovado y actualizado. Hay, esencialmente, dos métodos posibles para conseguir la levitación. Unocorresponde a la utilización de un sistema atractivo y el otro a un sistema repulsivo. Describiremosmuy brevemente los principios de funcionamiento de cada uno.



45

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

El sistema atractivo ha sido investigado, principalmente, en Alemania y Estados Unidos. Como essabido, la fuerza magnética entre un material ferromagnético colocado en el seno de un campomagnético y la fuente que genera al campo magnético es siempre atractiva. El peso del vehículo essostenido por esta fuerza atractiva. Las características básicas de este sistema son:

a) el campo magnético necesario puede ser generado por electroimanes convencionales hechos demetales 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 elmaterial ferromagnético y los electroimanes. Aun con un diseño óptimo, utilizando metal normal, elcosto 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 necesarioque tenga un mecanismo de retroalimentación que le permita regular la corriente y, por tanto, la fuerzaatractiva.

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

ALGUNAS NOCIONES SOBRE CABLES SUPERCONDUCTORES

Actualmente, un cable superconductor necesita de una cubierta refrigerante a su alrededor paramantenerlo a una temperatura inferior a la temperatura crítica del material que lo forma. Es evidenteque si se dispusiera de un superconductor que trabajara a la temperatura ambiente (o mayor) el sistemade refrigeración no sería necesario. Claro que si se tuviera un elemento conductor fabricado con losnuevos materiales cerámicos, el sistema de refrigeración se simplificaría muchísimo en su diseño ydisminuiría mucho su costo de fabricación. Nos referimos a los actuales cables superconductoresconvencionales. Aunque la filosofía del diseño permanecerá con los nuevos materiales cerámicossuperconductores.



46

Puede hacerse, a grandes rasgos, una distinción entre las características de los cables superconductoresa partir de sus componentes: el aislamiento térmico y el sistema conductor eléctrico.

Figura 24. El motor eléctrico Fawley. Un motor hecho con alambres superconductores. Sefabricó en la década de los setenta en Fawley, Inglaterra. Actualmente se utiliza como generadorde 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 dificultadesprincipales de este diseño es que la longitud máxima de manufactura transportable es de 20 metrosaproximadamente, de lo que resulta un gran número de uniones. Se requieren, además, componentescorrugados para compensar las contracciones térmicas.

Figura 25. Tipo de cable superconductor llamado rígido. Sus componentes son los mismos quelos 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 concomponentes corrugados para compensar las contracciones térmicas. Sin embargo, el conductor es



47

flexible y puede consistir de un tubo corrugado, o de alambres doblados en forma helicoidal sobre unsoporte cilíndrico hueco. Estos cables superconductores pueden fabricarse en longitudes de 200 a 500metros y ser transportados en tambores.

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

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

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

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

Estos cables han sido utilizados hasta ahora, principalmente, para la construcción de electroimanes degran 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 atransportar corriente directa o corriente alterna. La diferencia se refiere a la disposición de lossuperconductores dentro del cable. Sin embargo, el esquema general permanece prácticamente sincambio. Los materiales más utilizados hasta este momento siguen siendo Nb3Sn y NbTi.



48

Hay que mencionar que las cualidades mecánicas de los nuevos materiales superconductorescerámicos para la fabricación de alambres son muy pobres. Sin embargo, se está trabajandofebrilmente en desarrollar una tecnología que permita hacer alambres con los nuevos materialessuperconductores cerámicos; ya se están comercializando algunas pequeñas bobinas para diferentesusos, especialmente en las fábricas de componentes electrónicos muy pequeños (de los llamadosmicrochips).

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

5.3 PELICULAS DELGADAS

Ya hemos visto que un campo magnético externo penetra unos cuantos angstroms en el interiorde un superconductor. Este hecho tiene consecuencias relevantes en el caso de las películasdelgadas.

Figura XI. Película delgada superconductora en el seno de un campo magnético. 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 depenetración del campo a partir de la superficie. El efecto es notable solamente si el volumen contenidodentro de la profundidad de penetración del campo magnético es comparable con el volumen total de



49

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 lapelícula es inferior a 5 000 angstroms. Para el caso de una película muy delgada, digamos de 100angstroms o menos, el campo crítico puede crecer por un factor de 10, especialmente si la temperaturade la muestra es cercana a la temperatura crítica del material. De aquí la importancia tecnológica deobtener películas delgadas superconductoras, especialmente con los nuevos materiales cerámicossuperconductores 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 ladependencia del valor del campo crítico en el espesor de la película del material es que la definición dela transición magnética de una película delgada depende mucho de la naturaleza de sus bordes. Porregla general, los bordes de las películas preparadas son como se muestra. Al ser los bordes másdelgados que el resto de la película, tienen un campo crítico mayor. Si la prueba para verificar que lapelícula delgada es superconductor consiste en pasar una corriente a través de ella y ver si aparece unadiferencia de potencial en sus bordes, éstos permanecerán en el estado superconductor y darán lugar auna resistencia cero aun si el resto de la película ya se encuentra en estado normal. Esto tiene dosconsecuencias inmediatas: primero, la intensidad de campo magnético al cual aparece un voltaje (estoes, transición al estado normal) puede ser considerablemente mayor que el verdadero campo crítico dela película; segundo, como es muy poco probable que los bordes sean perfectamente uniformes a lolargo de la película, la transición del estado de resistencia cero al estado normal puede ser muy anchacon respecto al campo magnético aplicado externamente. Para obtener una transición mucho mejordefinida, lo que generalmente se hace es recortar los bordes para tener los extremos del mismo grosorque el resto de la película.

5.4 FORMACION DE PELÍCULAS DELGADAS

BIBLIOGRAFIA



50

Serie Schaum , QUIMICA, Editorial MacGrow Hill.

B.H.Amstead-F.Ostwald Phillip- L.Begeman Myron, PROCESOS DE MANUFACTURAEditorial CECSA.

POLIMEROS, http://www.propilco.com/

Estructura y des de Los Materales

Documents

Transcript of Estructura y des de Los Materales