UNIDAD III

Trabajo de Consulta “Propiedades de los Materiales”.

Alejandro Lara León 13060936

Catedrático: Ing. Rodolfo Rodríguez

Física del Estado Solido

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Introducción

¿Por qué un material conduce electricidad? , ¿Porque uno lo hace más rápido que el otro? ¿Qué es

lo que le da color a las cosas?, cuestiones que probablemente siempre existirán, En la presente

investigación se abordara y analizaran las propiedades de los materiales, que los hacen lo que son,

los hacen útiles, o simplemente describen el porqué de las cosas.

Es Importante conocer estas propiedades ya que para seleccionar y utilizar con eficacia el material,

para aplicaciones: electrónicas, ópticas, eléctricas, térmicas, etc., primero se debe comprender la

forma en que se pueden controlar las propiedades y su comportamiento en diferentes variables, en

contextos o dentro de los mismos ¿Qué es lo que está pasando? Para que el conocimiento de dichas

propiedades sea optimo y se vea reflejado en su buen uso en el área de la ingeniería.

Como se ha visto, el mundo de los materiales es diverso, y cada uno tiene diferentes cualidades que

lo hacen importante como por ejemplo La transparencia en los materiales consiste en la facilidad que

tienen estos para dejar pasar la luz a través de ellos, y en consecuencia hace que el espectador vea

algún color en el material.

Aparte la propiedad citada anteriormente, existen un sinfín que en los próximos apartados, serán

abordados, para que una mejor compresión y conocimiento en la formación profesional.

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Contenido Introducción ....................................................................................................................................................................... 1

1) Propiedades Ópticas ................................................................................................................................................ 3

1.1) Emisión de Radiación y Características .......................................................................................................... 3

1.2) Fenómenos de Emisión ........................................................................................................................................ 5

1.3) Interacción fotónica con los materiales. ..................................................................................................... 12

Los colores de las cosas ............................................................................................................................................... 18

2.1) Capacidad Térmica ................................................................................................................................................. 19

2.2) Dilatación (Expansión) térmica ......................................................................................................................... 20

2.3) Conductividad Térmica. ....................................................................................................................................... 22

3) Materiales Superconductores ......................................................................................................................... 25

3.1) Propiedades y Aplicaciones de la Superconductividad en Materiales. ................................................ 26

3.2) Estado Actual de Los Superconductores. ....................................................................................................... 29

3.3) Situación Económica de los Superconductores. ........................................................................................... 33

Conclusión ......................................................................................................................................................................... 35

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1) Propiedades Ópticas

Todos los materiales interactúan con la luz de alguna manera, los fotones son los responsables de varios

fenómenos ópticos donde interactúan con la estructura electrónica o cristalina de un material.

La Luz es energía o radiación, en forma de ondas o partículas llamadas fotones que pueden ser emitidos por

un material, Las Propiedades Ópticas de los Materiales están relacionadas con la interacción entre el material

y las radiaciones electromagnéticas en forma de ondas o partículas de energías conocidas como fotones.

Las propiedades ópticas de los materiales desempeñan un papel importante en gran parte de la alta

tecnología de la actualidad, tal es el caso de la fibra de vidrio, rayos x, entre otros que se verán examinados

en este apartado.

1.1) Emisión de Radiación y Características

El término radiación se refiere a la emisión continua de energía desde la superficie de cualquier cuerpo, esta

energía se denomina radiante y es transportada por las ondas electromagnéticas que viajan en el vacío a la

velocidad de 3·108 m/s. Las ondas de radio, las radiaciones infrarrojas, la luz visible, la luz ultravioleta, los

rayos X y los rayos gamma, constituyen las distintas regiones del espectro electromagnético.

La radiación puede tener características que caigan en el espectro de la luz visible o pueden resultar invisibles

para el ojo humano, por ejemplo: La Luz visible es una forma de radiación electromagnética, con longitudes de

onda que se extienden desde 0.40 a 0.75 micrómetros, la luz visible contiene bandas de colores que van

desde el violeta al rojo, La región ultra violeta cubre un intervalo desde casi 0.01 hasta alrededor de 0.40

micrómetros, la región infrarroja se extiende desde más o menos 0.75 hasta 1000 micrómetros.

En el espectro de la radiación eléctrica, los rayos gamma y los rayos x tienen una longitud de onda muy corta,

es decir alta frecuencia y poseen de energía muy elevada; las microondas y las ondas de radio poseen

energías muy reducidas; la luz visible presenta solo una porción muy angosta del espectro electromagnético.

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La emisión continúa, presenta diferentes características, de las cuales, se definen:

Emisión de cuerpo negro

Un cuerpo negro ideal absorbe toda la energía electromagnética que recibe (por eso se dice que es negro) y,

por estar en equilibrio térmico, reemite toda la energía absorbida. Esta emisión depende exclusivamente de la

temperatura del cuerpo,

Si el máximo de la radiación depende únicamente de la temperatura del cuerpo, tendremos que los objetos,

dependiendo de su temperatura, emitirán fundamentalmente en unas regiones u otras del espectro

electromagnético.

A continuación se muestra una tabla en la que se indica la temperatura necesaria para que un cuerpo emita

su intensidad máxima en un determinado rango y el tipo de cuerpos que presentan esa temperatura.

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Emisión continúa en gases ionizados

Los gases ionizados o plasmas también emiten radiación térmica continua sin que, en muchos casos, llegue a

ser emisión de cuerpo negro. Se dice que un gas está ionizado cuando una gran parte de sus átomos han

perdido uno o varios electrones, quedando, por tanto, cargados positivamente y dejando libres esos

electrones que han perdido.

Las características de importancia de los fotones se definen gracias a la ecuación de

Planck; Su energía, longitud de onda, frecuencia se relacionan mediante la siguiente

ecuación:

Esta ecuación nos permite pensar en el fotón ya sea como una partícula de energía E, o como onda con

longitud de onda y frecuencia.

1.2) Fenómenos de Emisión

Existen dos vertientes las cuales se pueden analizar de una manera más práctica las propiedades ópticas de

los materiales: emisión de fotones de los materiales e interacción de fotones con los materiales. Primero se

analizaran las emisiones de fotones.

a) Rayos Gama

Fenómenos producidos debido a interacciones nucleares.

Los rayos Gama, son fotones de muy alta energía, emitidos durante la

descomposición radioactiva de los núcleos inestables de los átomos, la energía

de los rayos gama depende de la estructura del núcleo atómico y varia de un

material a otro, por ejemplo cuando se descompone el cobalto 60, se emiten

rayos gama con energías de 1.17x106 eV y de 1.13x106 longitudes de onda.

Los rayos gama pueden utilizarse como fuente de radiación para detectar fallas

que ocurren dentro de un material.

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b) Rayos X

Fenómeno producido debido a las interacciones de las capas internas de los electrones.

Tienen una energía menor a los rayos gama, se producen al estimular los electrones de las capas internas de

un átomo, el estímulo puede ser de electrones de alta energía u otros rayos X, al ocurrir la estimulación se

emiten los rayos X, produciendo un espectro continúo y

uno característico de los rayos X.

Suponga que un electrón de alta energía choca contra un

material, conforme el electrón se desacelera, se libera,

energía y se emite en forma de fotones, cada vez que un

electrón choca con un átomo, cede una parte de mayor

de su energía, cada intersección puede ser más o

menos severa, por lo que el electrón va cediendo una

fracción distinta de su energía cada vez y produce

fotones de longitudes de onda diferentes, produciendo un espectro continuo.

En caso de que el electrón perdiera toda su energía en un solo impacto, la longitud de onda mínima de los

fotones emitidos sería equivalente a la energía original del estímulo, este estimulo incidente puede tener

suficiente energía para excitar un electrón de una capa interna hacia una capa externa de energía, el electrón

no excitado no es estable y, para recuperar el equilibrio, el nivel energético interior se llena con electrones de

un nivel superior, en este proceso se lleva a cabo la emisión de un espectro característico.

El color en un material resulta de la combinación de

longitudes de onda transmitidas.

Cada elemento produce un espectro característico,

diferente que nos sirve como huella dactilar, para

dicho tipo de átomo, si se hacen coincidir las

longitudes de onda características emitidas con las esperadas para diversos elementos, se puede determinar

la identidad del material.

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c) Luminiscencia

Fenómeno que sucede debido a la interacción de las capas externas de los electrones, es la conversión de

radiaciones y otras formas de energía en luz visible, ocurre cuando una radiación incidente excita electrones

de la banda de valencia para pasar a través de la brecha de energía y llegar a la banda de conducción, los

electrones excitados se quedan solo brevemente en los niveles superiores de energía, cuando regresan a la

banda de valencia, emiten fotones. si la longitud de onda de estos fotones está en el espectro de luz visible,

se presenta la luminiscencia.

La luminiscencia no se presenta en los metales, simplemente en los electrones son excitados a niveles más

altos de energía dentro de la banda de valencias, no enteramente ocupada y cuando estos regresan al nivel

inferior, el fotón producido tiene una energía muy reducida y una longitud de onda superior a la luz visible.

En ciertos materiales cerámicos y semiconductores, la brecha de energía entre la banda de valencias y

conducción es tal que un electrón que pase a través de la misma producirá un fotón en el rango visible del

espectro, en estos materiales luminiscentes, se observan dos efectos diferentes: la fluorescencia y

fosforescencia.

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Fluorescencia: todos los electrones excitados vuelven a la banda de valencias, emitiendo fotones

correspondientes, después de un muy breve lapso de tiempo (si la emisión dura menos de un segundo),

después de haber desaparecido el estímulo, predomina una longitud de onda que corresponde a la brecha de

energía, en muchas técnicas avanzadas en bioquímica y en ingeniería biomédica, se utilizan tintes

fluorescentes y microscopia fluorescente,

En una lámpara fluorescente, la fotoluminiscencia convierte la radiación UV, de un arco de mercurio de baja

presión en luz visible, utilizando un halo fosfato de

fosforo, se usa como huésped en la mayoría de las

lámparas, los iones de antimonio proporcionan una

emisión azul y los iones de manganeso, una banda

de emisión naranja-roja, variando estos iones, es

posible obtener tonalidades de luz azul, naranja y

blanca,

La luz UV, de alta energía de los átomos, de mercurio excitados ocasiona que la pared interior recubierta de

fosforo del tubo de la lámpara, emita luz visible de longitud de onda más larga y energía menor.

Fosforescencia: estos materiales, contienen impurezas que introducen un nivel donante dentro de la brecha

de energía, los electrones excitados bajan primero al nivel donante y quedan atrapados, los electrones deben

entonces escapar de la trampa antes de volver a la banda de valencias, existen un retardo antes de que se

emitan los fotones, cuando se elimina la fuente, los

electrones en las trampas se van escapando

gradualmente y emiten luz, durante un periodo

adicional de tiempo.

En la televisión a color se utilizan tres tipos de

materiales fosforescentes; se diseñan las brechas de

energía de manera que se produzcan los colores

rojo, verde y azul, las pantallas de los osciloscopios y del radar se basan en este mismo principio.

El interior del vidrio en las lámparas fluorescentes, está recubierto con material fosforescente, su papel es

convertir la pequeña longitud de onda de las radiaciones ultra violeta.

Este tipo de luminiscencia también es llamado catodolumisencia, ya que se genera por un haz de electrones

de gran energía.

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Electroluminiscencia:

Puede utilizarse ventajosamente para crear diodos emisores de luz (LED), estos utilizándose para tableros y

caratulas de relojes, pulseras, calculadoras y un sinfín de dispositivos electrónicos, el estímulo para estos

dispositivos es un voltaje aplicado externamente que causa transiciones de los electrones y

electroluminiscencia, los LED son dispositivos de unión p-n diseñados de forma en que el valor de la energía,

aparece en el espectro visible, un voltaje aplicado al diodo en la dirección de polarización directa, hace que los

huecos y electrones se recombinen en la unión y emitan fotones, el color característico de un LED depende

del material semiconductor que se utilice.

d) Rayos Láser.

Es una aplicación de la luminiscencia, en este caso ocurre una amplificación de la misma, por sus siglas en

ingles Laser (Light, Amplification by Stimulated emission of radiation). En ciertos materiales, los electrones

excitados por un estímulo, producen fotones que, a su vez, excitan fotones adicionales de idéntica longitud de

onda, en consecuencia, ocurre una gran amplificación de los fotones emitidos en el material, mediante una

selección adecuada del estimulante y del material, la longitud de onda de los fotones puede resultar en el

rango visible, la salida del láser es un haz de fotones que están paralelos y de la misma longitud de onda y,

por tanto son coherentes, en un haz coherente, la naturaleza ondulatoria de los fotones está en fase, por lo

que no ocurre una interferencia destructiva.

Los laser son útiles en el tratamiento térmico y en la fusión de metales, en la soldadura, cirugía, mapeo,

procesamiento de información, lectura de discos compactos utilizados para producir grabaciones de estéreo

libres de ruido.

Hay muchos tipos de laser; gas, líquido y solidos utilizados en la tecnología moderna, de los cuales se

describen algunos:

Láser de rubí: la estructura y funcionamiento del láser de rubí, no se usa mucho en la actualidad, por las

dificultades que existen en las barras de cristal.

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Láser de Neodimio YAG: se construye combinando una parte por cien de átomos de Nd en un cristal

huésped de YAG. este laser emite en el cercano infrarrojo a una longitud de onda de 1.06 micrómetros,

con potencia continua hasta de casi 250 W, y con potencia alta. este material tiene como ventaja una alta

conductividad térmica para eliminar el calor de exceso, en el procesamiento de materiales, este láser se

utiliza para soldadura, perforación, grabado y corte.

Láser de dióxido de Carbono: Los láser de dióxido de carbono, son algunos de los mas poderosos, operan

principalmente por el infrarrojo medio por medio de colisiones de electrones que excitan a moléculas de

nitrógeno hasta niveles de energía meta estables que después transfieren su energía para excitar a las

moléculas de CO2, las cuales a su vez emiten radiación laser al descender a niveles de energía inferiores.

Se utilizan para el procesamiento térmico de aceros, especialmente.

Láser semiconductor: Comúnmente son del

tamaño de un grano de sal, consisten en una

unión pn elaborada con un semiconductor

compuesto como el GaAs, que tiene una

brecha de banda suficientemente grande para

la acción del láser, en un principio este láser

se fabricó como un láser de homounion con

una sola unión pn, la cavidad resonante del

láser se crea hendiendo el cristal para formar las dos facetas extremas, el Láser del diodo alcanza la

inversión de población mediante una intensa polarización directa generando un gran número de pares

electrón-hueco y muchos de estos recombinándose para emitir fotones de luz.

Láser de Heterounion doble (HD) Se consiguió una mejor eficiencia en un láser HD de GaAs, las capas

de AlGaAs tienen brechas de banda más anchas y menores índices de refracción y por ellos restringen el

movimiento de la luz del láser a una guía de onda mínima, actualmente su aplicación más difundida de los

láser de diodo es para los discos compactos.

e) Fotoconductividad.

Como consecuencia de transiciones electrónicas inducidas por fotones en las cuales se absorbe luz, se

pueden generar transportadores de cargas adicionales, este incremento de conductividad se denomina

fotoconductividad, cuando se ilumina una muestra de material foto conductiva, esta aumenta.

Este fenómeno se utiliza en los fotómetros fotográficos, se mide la corriente foto inducida ya que su magnitud

es función directa de la intensidad de la luz incidente o de la velocidad a la que los fotones de la luz golpean el

material.

La radiación de luz visible debe inducir transiciones electrónicas en el material semi conductor; el sulfuro de

cadmio se utiliza en los fotómetros.

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f) Emisión Térmica.

Cuando se calienta un material, los electrones se excitan térmicamente a niveles superiores de energía, en

particular en los niveles de energía externos, donde los electrones están menos unido al núcleo, los

electrones vuelven de inmediato a sus niveles normales y emiten fotones, un suceso que se conoce como

emisión térmica.

conforme aumenta la temperatura, la agitación térmica se incrementa y aumenta también la energía máxima

de los fotones emitidos, se emite un espectro continuo de radiación con una longitud de onda y una

distribución de intensidad mínimas que depende de la temperatura, longitud de onda y una distribución de

intensidad mínimas.

Los fotones pueden incluir longitudes de onda del espectro visible; en consecuencia, el color del material

cambia con la temperatura. A bajas temperaturas, la longitud de onda de la radiación es demasiado larga para

ser visible. Conforme se incrementa la

temperatura, los fotones emitidos tienen

longitudes de onda más cortas a 700°C,

empezamos a detectar un color rojizo; a

1500°C, se emiten las longitudes de onda

naranja y rojo. Temperaturas aún mayores

producen todas las longitudes del rango

visible, y el espectro emitido es la luz

blanca, midiendo la intensidad de una

angosta banda de las longitudes emitidas

utilizando un pirómetro, podemos estimar

la temperatura del material.

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1.3) Interacción fotónica con los materiales.

Cuando los fotones interactúan con un material, se pueden producir diversos efectos, incluyendo la absorción,

transmisión, reflexión, dispersión, refracción y generación de voltaje.

El examinar estos fenómenos nos permite además de conocer mejor el comportamiento de los materiales,

poder utilizarlos para producir aeronaves, láser para usos médicos, fibras ópticas, celdas solares e

instrumentos analíticos para determinar la estructura cristalina de los materiales.

a) Absorción.

Si los fotones que arriban interactúan con los electrones de valencia, pueden ocurrir varias cosas. Los

Fotones pueden ceder su energía al material, ocurriendo una absorción.

Aquella porción del rayo incidente que no sea reflejada por el material, será absorbida o transmitida a través

del mismo, la fracción del rayo que es absorbida se relaciona con el espesor del material y con la forma en

que los fotones interactúan con la estructura del mismo. Este fenómeno puede describirse mediante la Ley de

Bouguer.

La absorción se presenta en los materiales, a través de diferentes mecanismos.

En la dispersión de Rayleigh, el fotón interactúa con

los electrones, girando en su órbita alrededor de un

átomo y es desviado sin ningún cambio en su

energía fotónica; este resultado es más significativo

para átomos de numero atómico elevado y energías

fotónica bajas. El color azul de la luz solar, se

dispersa más que los demás colores del espectro

visible y con ello el cielo se ve azul.

En el Efecto Tyndall, es el caso para partículas mucho más grandes

que la longitud de onda de la luz; este tipo de dispersión es la razón por la

cual las nubes se ven blancas.

Dispersión de Compton En este caso hace que el electrón sea expulsado del átomo y como consecuencia,

consuma parte de la energía del fotón. de nuevo, cuanto más alto sea el número atómico y menores sean

las energías fotónica se presentara mayor dispersión.

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Efecto Fotoeléctrico. Ocurre cuando la energía del fotón se consume al romper la unión entre el electrón y

su núcleo, conforme se incremente la energía del fotón, ocurrirá menos absorción hasta el punto en que el

fotón tenga una energía igual a la de la energía igual a la de la energía de enlace.

b) Reflexión

Cuando un rayo de fotones choca contra un material, los fotones interactúan con los electrones de valencia y

ceden su energía. En los Metales, las bandas de valencia no están llenas y la radiación de casi cualquier

longitud de onda excita a los electrones haciéndolos saltar a niveles más elevados de energía. Se esperaría

que, si se absorben los fotones totalmente, no se reflejaría

ninguna luz y el metal se vería negro, sin embargo, en el

aluminio o en la plata, al regresar los electrones excitados a sus

niveles de energía inferiores, se vuelven a emitir de manera

inmediata fotones de longitud de onda prácticamente idéntica,

esto significa que tiene lugar la reflexión, Dado que se refleja,

virtualmente la totalidad del espectro visible, los metales tienen

un color blanco o plateado.

La reflectividad muestra, la fracción de rayo incidente que se refleja y está relacionada con el índice de

refracción del material, dependiendo del ángulo de incidencia, en los metales la reflectividad se acerca a 0.05,

la elevada reflectividad de los metales es razón por la cual se pueden ver opacos.

Existen muchas aplicaciones en las cuales deseamos que los materiales tengan una muy buena reflectividad,

entre ellos se deben mencionar espejos y cientos de tipos de recubrimientos para los vidrios, también deben

diseñarse de tal manera que reflejen gran parte del espectro electromagnético.

Estos recubrimientos se conocen como anti reflejantes; se utilizan en vidrios, espejos retrovisores en los

autos, en ventanas, para que el usuario pueda ver a través del vidrio sin que parezca su propio reflejo.

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c) Refracción

Al transmitir un fotón, este causa polarización de los electrones en el material y, al interactuar con el material

polarizado, pierde parte de su energía, se puede relacionar la velocidad de la luz, con la facilidad con la cual

se polariza en un material tanto eléctrica como magnéticamente.

Los materiales ópticos, no son magnéticos, se puede despreciar la permeabilidad, en vista que se reduce la

velocidad de los fotones, el haz de fotones cambia de dirección, al entrar dentro del material, suponga que

unos fotones viajan en el vacío chocando contra un material, los ángulos formados por los rayos incidente y

refractado, forman el índice de refracción.

El índice de refracción, no es constante para un material en particular, este se ve afectado por la frecuencia o

longitud de onda de los fotones, la dispersión de un

material se define como la variación de su índice de

refracción en función de la longitud de onda.

La dispersión cromática es el cambio que experimenta

el índice de refracción con la longitud de onda. En

general, el índice disminuye a medida que aumenta la

longitud de onda. Por un determinado material, la luz

azul viaja más lentamente que la luz roja. La

dispersión es el fenómeno que se da en la separación

de colores en un prisma

La dispersión representa un papel importante en la elaboración de las fibras ópticas, ya que significa que

pulsos de luz de diferentes longitudes de onda que se inician en un mismo tiempo en un extremo de una fibra

óptica, llegaría en momentos diferentes al otro extremo de la fibra, esta es la razón por la cual se prefiere

utilizar una fuente de luz de una sola longitud de onda, la dispersión también causa aberración cromática.

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d) Transmisión

La fracción del haz que no es reflejada o absorbida se transmite a través del material, mediante los siguientes

pasos:

La intensidad del haz transmitido depende de las longitudes de onda de los fotones que lo forman, suponga

que un haz de luz blanca (que contiene fotones con todas las longitudes de onda del espectro visible) choca

con un material; si se absorbe, refleja y, por lo tanto se transmite la misma fracción de fotones de distintas

longitudes de onda, el haz trasmitido también será de luz blanca o sin color.

Esto es lo que encontramos en materiales como el diamante, sin embargo si se absorben más los fotones de

longitudes de onda más largas (rojo, naranja, etc.) que los correspondientes a longitudes de onda más cortas,

es de esperarse que la luz transmitida sea de color azul o verde.

► En los metales, el coeficiente de absorción tiende a ser grande, particularmente en el espectro de la luz

visible, dado que no existe una brecha de energía en los metales, cualquier fotón tiene, virtualmente,

suficiente energía para excitar a los electrones hacia un nivel de energía más alto y absorber así, la

energía del fotón, virtualmente, suficiente energía para excitar a los electrones hacia un nivel de energía

más alto y absorber así la energía del fotón.

► Los materiales dieléctricos, por lo contrario, poseen una gran brecha de energía entre las bandas de

valencia y de conducción. si la energía de los fotones incidente es menor que la brecha de energía, no

habrá ningún electrón, que adquiera suficiente energía para escapar de la banda de valencias y por lo

tanto no se presentara la absorción, cuando los fotones no interactúan con imperfecciones dentro del

material, se dice que el material es transparente. Este el caso del vidrio, de muchos materiales cerámicos

y de polímeros amorfos.

► En los semiconductores intrínsecos, se presenta la absorción cuando los fotones tienen energías que

exceden la Brecha Eg, en tanto que habrá transmisión para fotones menos enérgicos, en estos materiales

su brecha de energía es más pequeña que en los materiales aislantes,

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► tenemos niveles energía donadores que proporcionan niveles de energía adicionales para que ocurra la

absorción, por lo tanto son opacos a radiaciones de longitud de onda corta, pero son transparentes a

longitudes de onda larga, por ejemplo, el silicio y el germanio pueden ser opacos a luz visible, pero son

transparentes a las radiaciones infrarrojas de longitudes de onda largas.

►

e) Aplicaciones “Celdas Solares”

Las celdas solares, también utilizan la absorción de la luz

para generar un voltaje, los portadores de carga generados

por absorción óptica están separados, lo cual desarrolla el

voltaje, este voltaje crea un flujo de corriente en un circuito

externo, Las celdas solares son uniones p-n diseñadas de

forma que los fotones exciten a los electrones hacia la banda

de conducción, los electrones se mueven al lado n de la

unión, en tanto que los huecos se trasladan al lado p, este movimiento genera un voltaje de contacto debido al

desequilibrio de la carga, si el dispositivo de unión se conecta a un circuito eléctrico, la unión actúa como una

batería para energizar al circuito.

Las celdas solares aprovechan recubrimientos anti reflejantes de forma que se capten al máximo los

elementos clave del espectro solar.

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f) Absorción, transmisión o reflexión selectiva.

Cuando los fotones se absorben, transmiten o reflejan de manera selectiva, se observa un comportamiento

óptico fuera de lo común.

En ciertos materiales, el remplazo de iones normales por transición o por elementos de tierras raras, produce

un campo de cristal, el cual crea nuevos niveles de energía dentro de la estructura, este fenómeno se

presenta cuando los iones Cromo +3 reemplazan en el Al2O3 a los iones de Al +3.

Los nuevos niveles de energía absorben luz visible en las porciones violeta y verde-amarillo del espectro,

Las longitudes de onda se transmiten, dando el color rojizo en el rubí,

además el remplazo del ion Cr genera un nivel de energía que permite

que aparezca la luminiscencia, cuando los electrones son excitados por

un estímulo, los láser generados a partir del rubí dopado con cromo

producen, por esta razón un rayo o haz rojo característico.

Los vidrios, también puede doparse con iones que producen absorción y

transmisión selectiva, por ejemplo los vidrios foto cromáticos, que se

utilizan en los anteojos, contienen compuestos de plata, el vidrio se

oscurece a la luz solar, pero se hace transparente en la oscuridad.

En la luz brillante, los iones de plata que contiene el vidrio adquieren un electrón a través de la excitación por

los fotones y se reduce de iones de Ag a racimos de átomos de nano tamaño de plata metálica, entonces se

presenta la absorción de los fotones.

Cuando la luz incidente disminuye en intensidad, la plata regresa a su situación de ion de plata y no se

presenta absorción.

En los cristales, también se pueden encontrar trampas de electrones o de huecos, conocidas como centros F,

por ejemplo cuando se produce fluorita, para que exista un exceso de calcio, se produce un hueco de ion de

fluoruro, para mantener la neutralidad eléctrica, se queda atrapado un electrón en el hueco, produciendo

niveles de energía que absorben todos los fotones visibles, a excepción del morado.

Los polímeros, en particular, aquellos que contienen un anillo mono aromático en su espina dorsal, pueden

tener enlaces covalentes complejos que producen una estructura de niveles de energía que causa la

absorción selectiva. Por esta razón la clorofila de las plantas tiene color verde y la hemoglobina en la sangre,

color rojo.

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Los colores de las cosas

Los mecanismos de observación del color pueden ser de dos tipos: por reflexión (materiales opacos) y por

transmisión (materiales transparentes).

Cuando un material iluminado con luz blanca presenta un determinado color es porque ha absorbido todas

las demás radiaciones, salvo la correspondiente a ese color, que, o bien es reflejada, si el material es opaco,

o transmitida por el material hasta aparecer por el lado opuesto, si es transparente. A este proceso se le

llama absorción selectiva.

Si un material refleja todas las radiaciones del espectro visible será percibido como blanco, mientras que si

las absorbe todas se verá negro.

Pero esto no es tan sencillo. Debemos tener en cuenta lo que se llama mezcal

aditiva de los colores de la luz. La luz blanca surge de combinar la luz roja, la

azul y la verde.

Un material que solo absorba el azul, reflejar el rojo y el verde, es decir, el

amarillo. Si cogemos un papel celofán amarillo, absorberá el azul y dejará

pasar el rojo y el verde. Si observamos un objeto azul lo veremos negro ya que

el objeto absorbe todos los colores menos el azul, pero azul ya no le llega,

porque ha sido absorbido por el celo.

Gafas de sol

El material polaroid que se usa en las gafas de sol, hace uso del dicroismo, o absorción selectiva para

conseguir la polarización.

La luz se transmite de forma selectiva (difusa o directamente) por materiales de color que absorben ciertas

longitudes de onda. Un filtro de color verde intenso absorbe las longitudes de onda rojas y azules de la luz

blanca, transmitiendo en su mayoría las verdes. Como en el caso de los reflectores de color, los materiales

transmisores de color cambian de aspecto según el contenido de la luz incidente en longitud de onda. Así, un

vidrio teñido de azul, por ejemplo, parece negro cuando se mira contra el anaranjado del sol en un ocaso.

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2) Propiedades Térmicas de los Materiales.

El manejo térmico se ha convertido en un factor muy importante en los materiales de empaque electrónicos,

los electrones transfieren calor, en los metales, en cambio en los cerámicos la conducción de calor comprende

a los fonones.

Esta transferencia de calor es también importante en muchas aplicaciones, como los vasos de poliestireno, en

estas ocasiones donde las propiedades del material dependen de la temperatura, se habla de propiedades

térmicas.

2.1) Capacidad Térmica

Al igual que en las propiedades ópticas, existen partículas encargadas de explicar el comportamiento en este

térmico de los materiales, se les conoce como fonones, en el cero absoluto, los átomos aumentan su energía

térmica y vibran con una amplitud y frecuencia especifica. la vibración de cada uno de los átomos, se

transfiere a los átomos circundantes y produce una onda elástica que se conoce como fonon.

La energía requerida para cambiar un grado en la temperatura del material, se le conoce como capacidad

térmica. Que definiendo formalmente, es

la energía necesaria para elevar la

temperatura de un mol de un material en

un grado, el calor específico se define

como la energía necesaria para

incrementar la temperatura de un grano

de un material en 1°C.

La capacidad de calor se puede expresar

a una presión constante (Cp) o a

volumen constante (Cv), en la mayoría de los cálculos y aplicaciones, en la ingeniería suele emplearse el calor

especifico, esta propiedad no depende de la estructura del material, por lo tanto tienen muy poco efecto en los

cambios de densidad de dislocaciones, tamaño de grano y vacancias.

El factor de mayor importancia que afecta al calor especifico es la vibración de la red cristalina, además, por

ejemplo en el Hierro, a la temperatura de Curie, se observa una capacidad de calor relativamente alta, donde

los momentos, normalmente alienados de los átomos de hierro se dispersan al azar y el hierro se vuelve

paramagnético, la capacidad de calor también depende de la estructura cristalina, como es el caso de este

material.

20

En la mayoría de los sólidos el modo principal por el

cual se absorbe energía es mediante el aumento de

la energía vibracional de los átomos, estos están

vibrando constantemente a frecuencias muy altas y

amplitudes relativamente bajas.

Estas vibraciones están coordinadas de tal manera

que se producen “ondas viajeras” aplicadas en virtud

al enlace químico, imaginando que son como ondas

elásticas que se propagan a través del cristal.

La energía térmica vibracional de un material consiste en una serie de estas ondas elásticas, que tienen un

intervalo de distribuciones y frecuencias, solamente ciertos valores de energía están permitidos y un cuanto

de energía vibracional se le denomina fonon.

2.2) Dilatación (Expansión) térmica

Un aumento en la temperatura origina una mayor vibración térmica de los átomos del material y un aumento

de la distancia media de separación entre los átomos adyacentes, en general, la dimensión global del

material en una determinada dirección, aumentara al hacerlo la temperatura, esta relación se refleja mediante

en el coeficiente de dilatación lineal.

Los coeficientes de dilatación de los cerámicos y vidrios son generalmente inferiores a los de los metales, que

estos a su vez son menores al de los polímeros, estas diferencias están relacionadas con la forma de la curva

de energía de enlace

Del diagrama anexado, se puede concluir:

Los cerámicos y vidrios generalmente poseen mayores energías de enlace asociadas, en relación a sus

enlaces iónicos y covalente, el resultado es un pozo de energía más simétrico, con menor incremento de la

distancia interatómica a medida que la temperatura aumenta.

Cuanto más profunda es la curva, mayor es el modulo elástico, además la mayor fortaleza del enlace,

corresponde a mayores temperaturas.

El coeficiente de dilatación lineal, está asociado con la temperatura.

21

De esta manera se puede concluir que:

1) Las características de expansión de algunos materiales, en particular de cristales individuales y de

materiales con una orientación preferida, son anisotropicas.

2) Los materiales alotrópicos tienen cambios abruptos en sus dimensiones cuando se presenta la

transformación de fase, estos cambios bruscos contribuyen al agrietamiento de los materiales refractarios

cuando se calientan o enfrían y a las grietas de templado en los aceros.

3) El coeficiente lineal de expansión cambia continuamente con la temperatura.

4) La interacción del material con campos eléctricos o magnéticos producidos por dominios magnéticos puede

impedir la expansión normal hasta que se alcanzan temperaturas superiores a la de Curie. Este el caso del

Invar, una aleación Fe-36%-Ni, mismo que no sufre prácticamente ningún cambio dimensional a

temperaturas inferiores a la de Curie (Aproximadamente a 200°C) Esto hace que el Invar resulte atractivo

como material para la fabricación de tiras bimetálicas.

En algunos casos, algunos metales como el Silicio y el estaño, al presentar enlaces covalentes en sus

estructuras químicas, son más difíciles de estirar que los enlaces metálicos (tienen un pozo más profundo en

la curva de energía contra separación). Por lo que estos elementos tienen un coeficiente menor, Dado que el

Germanio también tiene enlaces covalentes, su expansión térmica debe ser menor.

Cuando se calienta un material isotrópico lenta y uniformemente, este se expande de manera uniforme sin

crear algún esfuerzo residual, sin embargo al material se le limita el movimiento, los cambios adimensionales

quizá no puedan realizarse y en cambio, se generan esfuerzos térmicos.

Por ejemplo cuando se unen los metales, al recubrir tinas de baño de hierro con esmaltes, los cambios de

temperatura causan cantidades diferentes de contracción o expansión en los diferentes materiales. Situación

similar presentada en materiales compuestos.

22

Los esfuerzos térmicos también pueden presentarse en un material no rígido e isotrópico, si la temperatura no

es uniforme, como en la producción de vidrio templado, se enfría más rápido la parte central, para permitir

que, inicialmente, la superficie se contraiga. Después se enfría el centro, donde su contracción queda limitado

por la superficie rígida, dejando esfuerzos residuales a la comprensión en la superficie.

2.3) Conductividad Térmica.

Es una medida de la velocidad con la cual se transfiere calor atreves de un material, el tratamiento de la

conductividad térmica es similar al de la difusión, es decir es una propiedad sensible a la microestructura,

La energía térmica se transfiere mediante dos mecanismos importantes: la transferencia de electrones libres y

vibraciones de la red cristalina. Los electrones de valencia aumentan su energía, se trasladan hacia áreas

más frías del material y transfieren su energía a otros átomos. La cantidad de energía transferida depende del

número de electrones excitados y de su movilidad; estos a su vez, dependen del tipo de material, de las

imperfecciones de la red cristalina y de la temperatura, además, las vibraciones térmicamente inducidas de los

átomos transfieren energía a través del material, presentándose de las siguientes formas.

Metales

Dado que en los metales la banda de valencias no está totalmente ocupada, los electrones requieren solo de

un poco de excitación térmica para moverse y contribuir a la transferencia de calor. se debe principalmente a

la contribución electrónica.

23

Cuando aumenta la temperatura del material, dos factores que se contraponen afectan la conductividad

térmica, las temperaturas más altas originan un aumento en la energía de los electrones creando más

“portadores” e incrementado la contribución proveniente de la red cristalina; todo lo anterior incrementa la

conductividad térmica, sin embargo, una mayor vibración de la red cristalina dispersa los electrones,

reduciendo su movilidad y por lo tanto su conductividad térmica.

En el caso del Hierro, la

conductividad térmica

inicialmente se reduce al

aumentar la temperatura (debido

a una menor movilidad de los

electrones) y después se

incrementa ligeramente (debido

a una mayor vibración de red).

Los metales trabajos en frio, los

metales endurecidos por solución sólida y las aleaciones en dos fases, pueden mostrar conductividades

inferiores en comparación con sus contrapartidas libres de defectos

Cerámicos.

Su conductividad térmica experimentada es baja, en

comparación con la de los metales, la brecha de energía

en los materiales cerámicos es demasiado amplia para

que sean excitados muchos electrones hacia la banda de

conducción, a excepción de a muy altas temperaturas. En

consecuencia, la transferencia de calor en los materiales

cerámicos ocurre principalmente debido a vibraciones de

la red cristalina, dado que la contribución electrónica es

ausente, la razón principal por la cual la conductividad es

baja es el nivel de porosidad, otros factores también

influyen, por ejemplo el mejor ladrillo aislante tiene alta

porosidad.

Aditivos efectivos en la sinterizacion permiten la reducción de la densidad (reducen porosidad) así como la

formación de segundas fases deseadas en los límites de grano mediante el control de la textura o de la

orientación.

24

Los vidrios tienen una conductividad térmica baja, la estructura amorfa poco empaquetada minimiza los

puntos en los cuales las cadenas de silicatos entran en contacto entre sí, dificultando más la transferencia de

fonones, sin embargo la conductividad térmica aumenta conforme se incrementa la temperatura; temperaturas

más elevadas producen fonones con más energía y una transferencia más rápida del calor.

La estructura más ordenada de los materiales cerámicos cristalinos, así como de los materiales cerámicos

vítreos que contienen grandes cantidades de precipitados cristalinos, causa una dispersión menor de los

fonones.

Algunos materiales cerámicos tienen conductividad térmica que se acercan a la de los metales, aunque los

materiales cerámicos avanzados como el AlN y SiC son buenos conductores térmicos, son aislantes.

Semiconductores

Estos materiales conducen el calor, a bajas temperaturas, los fonones son portadores principales de energía,

pero a temperaturas más elevadas, los electrones son excitados a través de la pequeña brecha de energía

hacia la banda de conducción y la conductividad térmica se incrementa de manera importante.

Polímeros.

En estos materiales, la conductividad térmica, es reducida, la vibración y el movimiento de las cadenas

moleculares de los polímeros transfieren energía, si se aumenta el grado de polimerización, o el grado de

cristalinidad, minimizando las ramificaciones y proporcionando un extenso entrelazamiento, todo lo anterior

produce una estructura más rígida y por lo tanto una elevada conductividad térmica.

En muchas aplicaciones de transferencia de calor, relacionadas con la microelectrónica, se utilizan resinas

epoxicas cargadas con plata, mediante el uso de espumas de polímeros, a menudo el poliestireno y

poliuretano, se obtiene un buen aislamiento térmico.

La estabilidad térmica depende tanto de la estructura como de la composición química.

25

Los grupos laterales y los anillos de la cadena, así como la presencia de

fuerzas de van der Waals intensas, aumentan la temperatura de fusión de

los polímeros. La cristalinidad también incrementa la temperatura de fusión

de manera significativa.

3) Materiales Superconductores

La resistividad eléctrica de un metal normal como el cobre disminuye de manera uniforme cuando se reduce la

temperatura y se alcanza un valor residual bajo

cercano al cero absoluto (0 grados Kelvin). En

contraste, cuando la temperatura disminuye, la

resistividad eléctrica del mercurio decrece

repentinamente a 4.2 K hasta un valor

inmensurablemente pequeño. Este fenómeno recibe el

nombre de superconductividad, y el material que

muestra este comportamiento se denomina material

superconductor. Alrededor de 26 metales son

superconductores así como cientos de aleaciones y

compuestos.

Hay algunas características de los materiales

superconductores del tipo metálico, que no cambian

con la transición al estado superconductor, entre ellas podemos señalar las siguientes:

1) El patrón de difracción de los rayos X no cambia. Esto indica que no hay cambio en la simetría de la

red cristalina. Tampoco hay cambio en la intensidad del patrón de difracción, lo que indica que

prácticamente no hay cambio en la estructura electrónica.

2) No hay cambio apreciable en las propiedades ópticas del material, aunque éstas están usualmente

relacionadas con la conductividad eléctrica.

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

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

26

3.1) Propiedades y Aplicaciones de la Superconductividad en Materiales.

La temperatura por debajo de la cual la resistividad eléctrica de un material tiende a cero recibe el nombre de

Temperatura critica, arriba de esta temperatura del material se denomina normal, y debajo de la temperatura

critica se dice que el material es superconductor.

La superconductividad depende también del campo magnético y la densidad de corriente, de este modo, para

que un material, el campo magnético y la densidad de corriente, no deben excederse y para cada material

superconductor existe una superficie critica en el espacio, de estas variables.

Si un campo magnético suficientemente intenso se aplica a un superconductor a cualquier temperatura por

debajo de su temperatura critica, el superconductor regresa a su estado normal, El campo magnético

aplicado, necesario para restaurar la conductividad eléctrica normal en el superconductor se denomina campo

crítico. Una densidad de corriente crítica, suficientemente alta también destruiría la superconductividad en los

materiales.

De acuerdo con su comportamiento en un campo magnético aplicado, los superconductores se clasifican:

Tipo I: tal como el plomo (Pb) o Estaño (Sn) se coloca en un campo magnético a temperatura ambiente, el

campo magnético penetrara normalmente a través del metal, sin embargo, si la temperatura de un

superconductor de este tipo disminuye por debajo de su Temperatura crítica y su campo magnético está por

debajo de la densidad de corriente crítica, el campo magnético será expulsado del espécimen excepto por una

muy delgada capa de penetración, esta propiedad de una exclusión del campo magnético en el estado de un

superconductor se le conoce como efecto Meissner.

27

El efecto Meissner es una de las propiedades que definen la superconductividad y su descubrimiento sirvió

para deducir que la aparición de la superconductividad es una transición de fase a un estado diferente.

La expulsión del campo magnético del material superconductor posibilita la formación de efectos curiosos,

como la levitación de un imán sobre un material superconductor a baja temperatura.

Tipo II: Se Comportan de manera diferente en un campo magnético a temperaturas por debajo de la

Temperatura critica, son altamente

diamagnéticos como los superconductores

tipo I, hasta un campo magnético aplicado

crítico, el cual recibe el nombre de campo

critico inferior H, de este modo el flujo

magnético se excluye del material, arriba de

este campo crítico, el campo magnético

empieza a penetrar al superconductor de

tipo II, y continua haciéndolo hasta que se

el alcanza el campo critico superior, el super

conductor está en el estado mezclado ,

puede conducir corriente eléctrica dentro del

material y en consecuencia, esta región de

campo magnético puede utilizarse para

superconductores de alto campo y alta

corriente.

28

Flujo de corriente y campos magnéticos

Los superconductores de tipo I, son pobres portadores de corriente eléctrica puesto que esta solo puede fluir

en la capa de la superficie exterior de un espécimen conductor, la razón de este comportamiento es que el

campo magnético solo puede penetrar la capa superficial, y solo es posible que la corriente fluya en esta

capa, En los superconductores tipo II, debajo de la

densidad de corriente crítica, los campos magnéticos

se comportan de la misma manera, sin embargo, si el

campo magnético esta entre H1 y H2 (estado mixto),

la corriente puede llevarse al interior del

superconductor por medio de filamentos.

En los superconductores de tipo II, cuando se aplica

un campo magnético entre H1 y H2. El campo

penetra la masa del superconductor en la forma de

paquetes de flujo cuantizados individuales

denominados fluxoides.

La movilidad de los fluxoides puede ser afectada en gran medida por las dislocaciones, fronteras de grano y

precipitados finos y por ello, la densidad de corriente puede elevarse mediante trabajo en frio y tratamientos

térmicos.

Óxidos superconductores de alta temperatura critica.

En 1987 se descubrieron superconductores con temperaturas críticas de alrededor 90 K, este compuesto es el

YBa2Cu3Oy.

Desde el punto de vista cristalina puede considerarse que este compuesto tiene una estructura de perovskita,

en una pila ideal de tres celdas unitarias cubicas, el compuesto debe tener y=9, sin embargo, los análisis

demuestran que y varia de 6.65 a 6.90 para que este material sea un superconductor. En y=6.90 su

temperatura crítica es más alta y en 6.65 la superconductividad desaparece, de tal modo, las vacantes de

oxigeno desempeñan un papel en el comportamiento del compuesto.

Desafortunadamente, los superconductores de alta temperatura son casi todos cerámicos, los cuales son

quebradizos y en su forma pura, tienen baja intensidad de corriente. Las primeras aplicaciones para estos

materiales probablemente estarán en la tecnología de películas delgadas para sistemas electrónicos como las

computadoras de alta velocidad.

29

Aplicaciones de los Superconductores.

Los superconductores tienen numerosas aplicaciones. Actualmente, los imanes más potentes se fabrican con

bobinas de cables superconductores (electroimanes superconductores). Este es el caso de los imanes que se

utilizan en grandes instalaciones científicas, como los aceleradores de partículas, y en medicina, como los

aparatos de resonancia magnética nuclear. Los imanes potentes son también un componente importante de

los generadores que transforman energía mecánica en electricidad (como es el caso de los generadores

eólicos e hidráulicos). El uso de imanes producidos por bobinas

superconductoras disminuyen las pérdidas mecánicas en la

producción de energías alternativas. De esta forma disminuye de

forma muy importante el peso y las dimensiones de los

motores. Además el uso de generadores superconductores

disminuye la dependencia en las escasas tierras raras que componen

los imanes convencionales.

Los aerogeneradores superconductores han surgido como una

propuesta muy prometedora para solventar estos problemas. Por debajo de una temperatura crítica, los

materiales superconductores no presentan resistencia eléctrica, y tienen capacidad para transportar grandes

densidades de corriente. Estas propiedades son idóneas para la generación de campos magnéticos y su uso

en motores y generadores. La baja temperatura crítica de gran parte de los superconductores precisa

refrigerar con helio líquido, muy costoso para aplicaciones a gran escala. Hace 25 años se descubrieron

materiales que son superconductores a una temperatura superior a la de la ebullición del nitrógeno líquido,

reduciendo notablemente el coste del sistema de refrigeración criogénico

3.2) Estado Actual de Los Superconductores.

Muchos han sido los avances respecto a la superconductividad, a continuación, muestran algunos de los

avances más relevantes en los últimos tres años.

Grafeno y Pares de Cooper

Un electrón se mueve por la red metálica. Por lo tanto produce una deformación de la misma a su paso. Un

pequeño desplazamiento de los iones más cercanos. Evidentemente

esto no se extiende mucho más allá de sus inmediaciones por efecto

de apantallamiento de la red y de otros electrones por ahí

Cuando un electrón produce este hecho, la modificación en la red hace

que aparezca una región con una densidad de carga positiva superior

a los alrededores. Esta región atraerá a otros electrones circundantes.

30

Estos electrones se moverán como una única entidad por la red ya que se

puede calcular (no es nada fácil) que esta situación es energéticamente

favorable.

En esta situación cualquier intento de acercamiento o separación de los miembros del par se reconduce por la red a una situación en la que los electrones forman un par ligado.

(Recordemos que esta imagen es puramente clásica).

Es evidente que este fenómeno se dará preferentemente a temperaturas bajas porque cualquier vibración de la red

destruiría esta imagen y no se podrían formar estos pares ligados de electrones.

Por lo tanto, los pares, una vez formados, se comportan como una única entidad, es lo que se conoce como una

cuasipartícula en el contexto de la física de la materia condensada.

Superconductores "pares de Cooper" de electrones se han dividido para crear pares entrelazados de los

electrones en un nuevo dispositivo construido por los físicos en Finlandia y Rusia. El dispositivo utiliza dos

puntos cuánticos hechos de grafeno. Aunque otros tipos de puntos cuánticos se han utilizado para este

propósito, la investigación más reciente sugiere que los puntos cuánticos de grafeno deben entregar pares de

electrones entrelazados de larga duración que podrían ser utilizados en ordenadores cuánticos.

El entrelazamiento es un fenómeno de la mecánica cuántica en la que las propiedades de las partículas

fundamentales se correlacionan de manera que se hace una medición sobre una partícula puede afectar

instantáneamente otra partícula - incluso a través de distancias muy grandes. En principio, un ordenador

cuántico puede utilizar esta conexión para realizar ciertos cálculos mucho más rápido que un ordenador

convencional. Aunque los ordenadores cuánticos práctica no existen hoy en día, algunos diseños potenciales

involucran el uso de las cantidades de movimiento angular intrínseco, o "spin", de electrones como bits

cuánticos (qubits) de información que pueden ser enredadas.

Los superconductores proporcionan una fuente de electrones enredados debido a que los pares de Cooper

que permiten que estos materiales para conducir la electricidad con poca o ninguna resistencia son de hecho

enreda pares de electrones con spin opuesto. La división de los pares, preservando el entrelazamiento de los

electrones puede hacerse simplemente mediante la conexión de cables de metal común para cualquiera de

los extremos del superconductor. Si la configuración es la

correcta, cada cable se arrebata un electrón de un par. Sin

embargo, es más frecuente que los dos electrones se terminan

yendo por el mismo cable.

Para dividir los electrones entrelazados desde el superconductor,

los investigadores se propusieron por primera vez el nivel de

energía de resonancia de los puntos cuánticos para igualar la

energía que posee los pares de Cooper. A continuación, variaron

la tensión de puerta a través de uno de los puntos y monitoreados

la corriente que fluye a través del otro.

31

Encontraron que en la mayor parte de la gama de tensión no había corriente, pero que en ciertas tensiones de

la corriente de repente aumentar, caer por debajo de cero y luego volver a la marca cero. El auge, explican, se

debe a que a esa tensión la energía en una aumenta de puntos muy ligeramente, mientras que en las otras

gotas por la misma cantidad pequeña, provocando que los electrones para separar y así registrar una

corriente (parejas no separadas registran como cero actual). La corriente negativa, por su parte, es causada

por electrones "elástica co-túnel" a través del superconductor. "Es como tener un interruptor donde se invierte

la corriente mediante la alineación de los niveles de energía, ya sea simétrica o antisymmetrically", dice

Hakonen.

También tienen como objetivo mostrar que el dispositivo no sólo se divide pares de Cooper, pero que de

hecho conservan entrelazamiento. Planean hacer esto mediante el registro del espín de los electrones

separados utilizando los contactos hechos con la aleación magnética permaloy apodado-níquel hierro.

Bombilla de Grafeno que reduce el costo de luz

Tiene apenas 10 años de vida, pero el grafeno ya comienza a demostrar sus infinitas aplicaciones.

Considerado un material milagroso, se trata simplemente de una lámina de carbono de un átomo de

espesor. Es un millón de veces más fina que una hoja de papel, y muy ligera. Una lámina de un metro

cuadrado sólo pesa 0,77 gramos. Es transparente, flexible, impermable, no contamina, y es 200 veces más

fuerte que el acero. Además es superconductor: 100 veces más rápido que el silicio usado en los chips.

Conduce el calor, genera electricidad cuando recibe luz, y cambia sus propiedades cuando se combina con

otros materiales. Su unión es tan perfecta que ni siquiera los átomos de helio, los más diminutos que existen,

pueden atravesarlo. También es barato de fabricar, y es muy común en la Naturaleza. Todos los países lo

tienen en abundancia.

No obstante, no resulta fácil de fabricar en grandes cantidades, aunque se están dando pasos en este sentido.

La bombilla de grafeno dispone de un filamento fabricando con este material, que como hemos dicho es

superconductor. Esto permite ofrecer la misma energia lumínica, con un menor consumo. Puedes verla en

funcionamiento en la foto de apertura de la noticia.

Está siendo desarrollada por Graphene Lighting, una empresa ligada a la Universidad de Manchester. El año

pasado, el gobierno británico invirtió 61 millones de libras para crear elInstituto del Grafeno, que es donde se

ha desarrollado esta bombilla de grafeno.

Origen de la Temperatura de un superconductor.

El secreto de la superconductividad a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273,15 grados Celsius), reside

en el hecho de que, bajo estas condiciones, se detiene el movimiento térmico de los átomos del material. A

diferencia de otros materiales, dentro de los cuales los electrones se desplazan solos, chocan entre sí y, de

esta manera, se pierde energía, en condiciones de temperaturas bajas dentro de los materiales

superconductores los electrones se mueven emparejados, ligados por unos lazos muy fuertes.

32

Estos lazos entre dos electrones se originan en la estructura especial de superconductores, y cuantos más

fuertes son los superconductores, tantos más fuertes son los lazos. La superconductividad se pierde cuando

se rompen los lazos entre dos electrones, por ejemplo si sube la temperatura o por el impacto de un campo

magnético fuerte, y mientras estos lazos se mantienen los electrones emparejados pueden viajar

eternamente.

Sin embargo, hasta ahora los científicos no sabían cómo se mantenían estos lazos entre electrones en los

superconductores de alta temperatura. Según investigadores de la Universidad de Cambridge, las ondas de

densidad de carga de los electrones se acumulan en los retorcidos "bolsillos", que se encuentran en las zonas

de mayor superconductividad. Estos "bolsillos" se forman en una estructura muy especial dentro de materiales

estudiados, parecida al juego 'Jenga', donde cada ladrillo es un 'bolsillo'. Mientras esta estructura se mantiene,

se mantiene la superconductividad de materiales, y buscando materiales con una estructura similar, los

científicos podrían hallar y estudiar más superconductores aún desconocidos..

Materiales Superconductores Recientes.

CeCoIn5 (Cerium-Cobalt-Indium 5)

La superconductividad permite el flujo de electricidad sin ninguna pérdida de energía, pero este fenómeno

extremadamente baja temperatura desaparece por encima de una temperatura crítica (Tc). Desde el

descubrimiento de una nueva clase de materiales en 1986, conocido como superconductores no

convencionales, que conserva la superconductividad a temperaturas mucho más altas que los

superconductores convencionales conocidos anteriormente, la comunidad científica ha estado en la búsqueda

para aprender acerca de los mecanismos completos para la superconductividad no convencional para permitir

el diseño de los materiales superconductores que operan a temperatura ambiente. En general, los materiales

de descubrimiento para los superconductores de mayor Tc ha sido

perseguido por dopaje controlado (sustitución estratégica de ciertos

elementos con los demás) de un material de partida con una Tc ya

elevado. Aunque este enfoque parece funcionar hasta cierto punto,

la predicción del comportamiento superconductor de materiales

recién sintetizadas sigue siendo un reto importante debido a varias

complejidades, incluyendo el trastorno en los materiales cristalinos.

Un equipo internacional liderado por científicos del Laboratorio

Nacional de Los Alamos ha demostrado que el compuesto con

CeCoIn5 increíblemente alta pureza y la más alta temperatura

superconductor para un material a base de cerio podrían servir

como un sistema ideal para investigar el efecto de desorden en los

materiales. Fluctuaciones magnéticas, un controlador para la superconductividad no convencional, de hecho

se observaron en CeCoIn5 prístino, pero localmente desaparecen en el material dopado con una pequeña

cantidad de cadmio (en sustitución de indio). Sorprendentemente, la temperatura de transición

superconductora del material dopado se mantuvo casi no afectada. Este trabajo muestra que 'gotas' estáticas

de forma magnetismo alrededor de los átomos dopados,

33

pero no afectan a la superconductividad en este material. Se espera que nuevas investigaciones sobre este

material permita descifrar de otros aspectos de la superconductividad no convencional que podría allanar el

camino para el desarrollo de una teoría más completa de este fenómeno emergente complejo.

(CeCoIn5), en virtud de su alta pureza, permite el estudio de la interacción entre el magnetismo,

superconductividad, y el desorden en tres diferentes clases de los superconductores no convencionales

(cupratos, pníctidos y fermiones pesados). El sistema versátil modelo podría ayudar a los investigadores a

descifrar los fenómenos emergentes complejos en clases diferentes de los superconductores no

convencionales y en el desarrollo de una teoría completa de la superconductividad de alta temperatura.

3.3) Situación Económica de los Superconductores.

El uso extensivo de nuevas tecnologías en la extracción de

energía alterará el mapa de la producción energética

mundial tal y como lo conocemos ahora, y tendrá profundas

consecuencias en la competitividad de las distintas regiones

mundiales. A la cabeza de estas tecnologías se encuentra

el fracking, la tecnología de fractura hidráulica que permite

librar y capturar gas atrapado en tipos de roca y subsuelo

antes difícilmente accesible, que está provocando una

revolución en el sector del gas en Estados Unidos.

Se estima que la “revolución energética” podría llevar a los

precios del gas en Estados Unidos, donde comenzó a

aplicarse esta técnica y donde ha alcanzado mayor nivel de

desarrollo, a su precio más bajo en décadas, generado un ahorro de costes para sus empresas, que generaría

una gran presión a la estructura de costes sus competidoras globales (especialmente a las europeas).

Por otro lado, el descubrimiento y el avance en la aplicación de otros materiales y materias primas como por

ejemplo el grafeno8 o las tierras raras9 serán de gran relevancia para la elaboración de imanes para los

discos duros, las lámparas halógenas o la construcción de equipos de diagnóstico por resonancia magnética

nuclear. La generalización y los avances en el uso industrial de estos y otros materiales generarán una

dinámica rupturista en un gran número de sectores y subsectores económicos, alumbrarán nuevos y

altamente rentables nichos de mercado y consolidarán la ventaja

tecnológica de aquellas economías

El grafeno no tiene catalogación de materia prima y por eso no cotiza en

forma de derivado en los mercados financieros. Asique la única manera de

invertir en grafeno es a través de las diferentes empresas que lo utilizan o

intervienen en su proceso de creación.

34

En primer lugar, se puede invertir en las minas de grafito. Existe un número amplio de empresas dedicadas a

la extracción de este mineral como Alabama Graphite Corp, Carbone Lorraine, China Carbon Graphite Group,

HEXCEL.

En segundo lugar, se puede invertir en las empresas productoras del grafeno, es decir, aquellas que modifican

el grafito para obtener grafeno. Las empresas líderes en este apartado son: CVD Equipment Corporation que

cotiza en el Nasdaq y Oxfords Instruments.

A pesar de todo, invertir en grafeno aún se estima que se trata de una inversión especulativa. De

momento, no es más que una corazónada aquellos que creen en él y avisan que tiene ciertas limitaciones

como por ejemplo que no es posible fabricarlo a gran escala. Además, como la inversión no es sobre el éxito

del grafeno sino de la empresa por la que se ha

apostado tampoco es seguro el éxito. Por último,

aunque se está trabajando en reducir drásticamente

sus costes de producción aún sigue siendo bastante

alto.

Grafeno en España

Aunque el negocio del grafeno aún se encuentra en

estado embrionario, en Europa su comercio movió 9

millones de euros, España se encuentra como

referente. En el territorio español encontramos varias empresas punteras, no sólo en Europa, sino que

compiten con las norteamericanas. La primera de ellas es Graphenea Nanomaterial, que lidera la producción

de grafeno en lámina de alta calidad. La empresa vasca compite con las empresas más desarrolladas de

Estados Unidos.

Aparte de Graphenea, encontramos también la primera productora mundial de producción de grafeno en polvo

que es la riojana Avanzare. Otra empresa que pelea por ser líder mundial en su sector es la alicantina

Grapheano, que ha abierto una delegación en Alemania, que se dedica a la fabricación en cantidades

industriales a través de un sofisticado sistema de producción. Este sistema proporciona la posibilidad de crear

redes y cables superconductores.

35

Conclusión

Conocer y comprender el comportamiento de los materiales, en diferentes ambientes, resulto ser

demasiado interesante ya que, algunos aspectos se desconocían, y gracias a la presente, se

pudieron comprender mejor, mediante el uso de esquemas, teorías y gráficos, se comprendieron los

temas anteriormente expuestos.

Las propiedades de los materiales, son el mejor argumento para que al material se le de algún uso,

es decir, cada característica que tenga, lo hace una clasificación.

Se comprendió el comportamiento óptico, térmico y un caso especial, la superconductividad, tema de

interés hoy en día. Un material superconductor es aquel que trabaja a temperaturas por debajo del

cero absoluto, teniendo nada de resistencia al paso de la corriente.

Los superconductores y sus investigaciones, están a la orden del día, como también en diversas

aplicaciones, un caso importante, las energías renovables.

Después de la comprensión y análisis de los diferentes comportamientos de los materiales, se

tendrán bases para seguir con la formación profesional, así como aplicarlos y relacionarlos, al igual

con la propiedad de superconductividad, para mejorar la calidad de la vida cotidiana.

36

FUENTES DE CONSULTA

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http://www.newswise.com/articles/a-potential-rosetta-stone-of-high-temperature-superconductivity

http://cuentos-cuanticos.com/2013/04/26/par-de-cooper/

http://computerhoy.com/noticias/hardware/primera-bombilla-grafeno-reduce-factura-luz-26289

http://www.ciencias.pe/noticias/cient%C3%ADficos-revelan-el-secreto-de-los-superconductores

www.esadegeo.com/.../201307Tentrends_Blanco_Guerrero_ES.pdf

http://www.estrelladigital.es/articulo/economia/comienzo-era-

grafeno/20140715104930203909.html

http://ivanolguin.blogspot.mx/2013/05/grafeno-el-fantasma-que-amenaza-nuestra.html

http://www.fisicanet.com.ar/fisica/ondas/ap13_absorcion_selectiva.php

Askeland, D. R. (2009). Ciencia e Ingenieria de los Materiales. Mexico: Cengage Learning.

Schackelford, J. (2005). Introduccion a la ciencia de materiales para ingenieros. Mexico: Pearson.

Smith, W. (2009). Fundamentos de ciencia e ingenieria en Materiales. Mc Graw Hil.