Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química

Química del Estado Sólido | 1

Electrolitos Sólidos

Alejandra Maribel Maturano González (311006070), Diego Alfonso Colín Taboada (415078960)

Introducción La electroquímica en estado sólido es un área de investigación

interdisciplinaria entre la química del estado sólido, la ciencia

de materiales y la electroquímica, dentro de este campo se

investigan distintos temas, pero el más importante es el de los

electrolitos sólidos.

Los electrolitos sólidos son materiales conductores de

electricidad que utilizan iones como portadores de carga (Los

materiales que tienen como portadores de carga electrones se

denominan conductores electrónicos y los que tienen ambos

son llamados electrodos de intercalación).

Usualmente estos materiales presentan conductividades con

valores 𝜎~10−3 − 101 Ω−1𝑐𝑚−1 y sus aplicaciones están en

baterías, celdas de combustible, sensores electroquímicos, etc.

Los electrolitos sólidos pueden ser clasificados en distintas

categorías:

Por estructura: Cristalinos, amorfos o poliméricos

Por ión móvil: Ag+, Cu+, Li+, Na+, K+, Tl+, Cs+, O2-, F-, H+ y otros

menos comunes.

Otro grupo de electrolitos son los mixtos que involucran

conducción iónica y electrónica simultánea.

Estos materiales se caracterizan principalmente:

Estructura: Determinada por técnicas usuales de difracción

de Rayos X, Neutrones, etc.

Propiedades (comportamiento eléctrico): Métodos

térmicos

Conducción en estado sólido

Los defectos son imperfecciones en una red cristalina, lo que

implica que perturban el orden local, se clasifican por

dimensionalidad en puntuales, lineales, planares, etc.

Los defectos puntuales consisten en la sustitución de un átomo

por otro distinto en una posición cristalográfica, en la ausencia

de una especie (defecto tipo vacancia) o el alojamiento de una

especie entre dos posiciones ocupadas.

Otro tipo de defectos son los planares que consisten en límites

de grano que separan dos partes del cristal. Si la falla es causada

por agregados de vacancias, se llaman fallas apiladas

intrínsecas, si son causadas por agregación intersticial, se

llaman fallas apiladas extrínsecas.

Las superficies internas de los materiales se clasifican como

fallas apiladas, planos cristalográficos de corte y límites de

grano. Los límites de grano separan las regiones del cristal que

tienen orientaciones diferentes. Las impurezas y otros defectos

puntuales se mueven desde el seno del cristal hacia sus límites,

así, los límites de grano actúan como vías preferenciales para el

transporte de materia a través de sólidos.

Los defectos controlan propiedades importantes. Las

propiedades eléctricas de los semiconductores y el color de la

luminiscencia de muchos cristales dependen de las trazas de

impurezas. Los átomos impuros tienen muchos sobre las

propiedades eléctricas, ópticas, magnéticas, térmicas y

mecánicas de los sólidos, la plasticidad, fluidez y difusión

atómica son controladas por estos.

Los defectos en los sólidos no sólo son cruciales en la

determinación de sus propiedades, también juegan un papel

central en la existencia del estado sólido, en el proceso de

formación y crecimiento de un cristal y en la fusión. En equilibrio térmico, debido a una distribución energética de

Boltzmann un cierto número de vacantes siempre están

presentes y su concentración se incrementa conforme la

temperatura lo hace. Las vacantes producidas como resultado

de procesos de equilibrio térmico como irradiación,

deformación o adición de impurezas se llaman vacantes

“atérmicas” o “extrínsecas”.

(a) (b)

Figura 1. (a) Mecanismo de conducción por salto hacia posición intersticial (b) Mecanismo de conducción por salto hacia vacancia.

Electrolitos cristalinos

El mecanismo de conducción en electrolitos cristalinos consiste

en la propagación de iones (normalmente cationes) en la red

mediante saltos hacia posiciones vecinas, existen dos tipos de

sitios a los cuales puede saltar un ión:

Sitios vacíos (vacancias):

Posiciones entre sitios ocupados (posiciones intersticiales):

Electrolitos Amorfos y Poliméricos

En este tipo de conductores el mecanismo es conceptualmente

similar al de los electrolitos cristalinos, sin embargo, el

modelado matemático es más complicado por la falta de orden

a largo alcance.

Una alta concentración de defectos puede ser congelada, o

quenching, por un enfriamiento repentino de elevadas

temperaturas a muy bajas temperaturas. El proceso de

quenching puede ser usado para preparar alojamientos

2 |Química del Estado Sólido

amorfos. Otro método para preparar sólidos amorfos es crear

concentraciones de defectos altamente saturadas usando altas

dosis de irradiación o implantación de iones.

Adicionalmente a los defectos intrínsecos, ha surgido mucho

interés en un número de materiales poliméricos que son

capaces de incorporar impurezas que generalmente alteran sus

propiedades eléctricas, incluyendo la conductividad eléctrica de

diez o doce órdenes de magnitud. Las impurezas son dopadas

electroquímicamente o por difusión con ambas especies,

catiónica y aniónica.

Modelo microscópico y dependencia con T

Matemáticamente es simple modelar el comportamiento de la

conductividad en función de la temperatura como:

𝜎 =𝜎𝑜

𝑇𝑒

−𝐸𝑎

𝑘𝐵𝑇

Donde Ea es la energía de activación para el salto del ión, kB la

constante de Boltzmann, T la temperatura absoluta y 𝜎𝑜 es el

valor extrapolado a 1/T=0 (Es función de la carga del ión, la

probabilidad de un salto, la geometría local, etc). Este modelo

está respaldado en el comportamiento lineal de log 𝜎𝑇 =

log 𝜎𝑜 − 𝐸𝑎/𝑘𝐵𝑇.

Algunos valores para la energía de activación son 1.24 eV para

defectos de Frenkkel, 0.27-0.34 eV para migración de cationes

(cf. Energía térmica a 300 K ~ 25 meV)

Figura 2. Dependencia lineal de log 𝜎𝑇 = log 𝜎𝑜 − 𝐸𝑎/𝑘𝐵𝑇 para distintos materiales sólidos.

Ejemplos

Los electrolitos sólidos más comunes son los cristalinos, en las

figuras 2 y 3 se pueden observar varios ejemplos de sistemas

comunes y su dependencia con la temperatura.

En general los grupos más importantes son:

Sistemas de Alúmina:

Esta familia la conforman materiales de fórmula M2O nX2O3

donde n toma valores entre 5 y 11, M es un catión

monovalente y X es un catión trivalente (Al3+, Ga3+ o Fe3+).

El miembro más importante es el compuesto con Na y Al.

Sistemas de Halogenuros de Iones Alcalinos:

Los compuestos más importantes de esta familia son los

fluoruros, esto se debe a su conducción por saltos a

vacancias (de defectos tipo Frenkel).

Sistemas de Óxidos:

El sistema más estudiado de este tipo es el conductor YSZ

(Conductor de Itrio estabilizado por Zirconio), es un buen

conductor de alta temperatura y consiste en un polimorfo

cúbico de la zirconia (con estructura tipo fluorita)

Conductores de ión Li+:

Esta familia es la más estudiada por su aplicación en

baterías, es la más prometedora y tiene conductividades

mayores por la alta movilidad de este catión en la

estructura

Conductores de protones:

Este tipo de conductores funcionan solo a temperaturas

moderadas pues la mayoría contiene agua y se descmpone

al calentarse, consisten en sales ácidas como el Sb2O5 nH2O.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 3. Dependencias del logaritmo de la conductividad con la temperatura para sistemas comunes de: (a) β-Alúmina (b) Fluoruros (c) Óxidos (d) Iones H+.

Algunos conductores poliméricos son poliacetileno,

poli(pirroletosilato), y poli(pirrol fluoruro). Los tiopenos son

más útiles porque, son razonablemente buenos conductores

eléctricos y son más flexibles, mecánicamente fuertes y

estables.

Referencias

1 Bard, A.; Inzelt, G.; Scholz, F. Electrochemical dictionary; Springer: Heidelberg, 2012.

2 Bruce, P. Solid state electrochemistry; Cambridge University Press: Cambridge, U.K., 1997.

3 Huggins, R. Advanced batteries; Springer: New York, 2010. 4 West, A. Solid State Chemistry and its Applications, 2nd

Edition, Student Edition; John Wiley & Sons, 2014. 5 Naidu, S. V Defects in solids; Salem Press Encyclopedia of

Science, January, 2015 6 Van Gool, W. Solid Electrolytes; Academic Press: New York,

1978

Cuenca Perez Samuel Estado Sólido Rosado Zaidi David Tercer Examen Parcial Fecha de entrega: 9 de Mayo de 2016

Fotocatalizadores Sólidos Características Químicas El compuesto más empleado en fotocatálisis es el TiO2 ,debido a que es químicamente inerte, no tóxico, abundante y resistente a procesos de corrosión. Es un semiconductor sensible a la luz por lo que absorbe radiación electromagnética en regiones muy cercanas a la región UV. Los polimorfos relevantes de este compuesto son: Anatasa (I 41/amd) y Rutilo (P 4/mnm). A pesar de que la anatasa es termodinámicamente menos estable que el rutilo, tiene mayor área superficial y densidad superficial, características muy útiles para procesos catalíticos. Ésto consecuenta en que los procesos con fotocatalizadores sólidos son fenómenos de superficie y que el área de contacto es importante para que el proceso se lleve a cabo con éxito. Características Estructurales El rutilo y la anatasa cristalizan en sistemas tetragonales. Normalmente el monocristal de la anatasa se forma con una estructura bipiramidal ­similar a una estructura octaédrica con un volumen de celda de 136.82 A3. Por otro lado, el rutilo posee la misma estructura tetragonal pero su volumen de celda es 62.43 A3. Las dos estructuras tienen celdas unitarias distintas, con diferentes parametros de red, densidad y nùmero de átomos dentro de la estructura.

Mineral Grupo Espacial

a c Z Volumen Densidad

Anastasa I 41/amd 3.7930 9.5100 4 136.8 3.88

Rutilo P 4/mnm 4.5940 2.9580 2 62.4 4.25

Tabla 1: Características estructurales de los alótropos de TiO2.

Imagen 2: Descripciòn de una sistema tetragonal con nombre de clase ditetragonal­dipiramidal. Descripción breve y sustancial del fenómeno Este proceso catalítico se lleva a cabo cuando se forma una interfase entre un sólido (fotocatalizador) y una fase líquida y/o gaseosa que contenga los reactivos de la fotorreacción. En dicha región, la distribución de los electrones del catalizador se encuentra excitados y lejos de la superficie, por lo tanto, la densidad electrónica aumenta la reactividad con compuestos con los que normalmente no reaccionaria sin radiación. Este fenómeno ocurre cuando:

Cuenca Perez Samuel Estado Sólido Rosado Zaidi David Tercer Examen Parcial Fecha de entrega: 9 de Mayo de 2016

1. Una especie metálica en una superficie sólida es fotoexcitada. 2. Un semiconductor absorbe luz.

Teoría que lo fundamenta La aproximación de Born­Oppenheimer predice que el comportamiento de los electrones esta directamente relacionado con las posiciones nucleares de una molécula; sin embargo, dicha aproximación no implica que los electrones no puedan encontrarse en posiciones de estados excitados. Por lo tanto, a través del principio de Franck­Condon, se sabe que las longitudes de onda que estimulan un sólido con frecuencias mayores a 1014 prácticamente no alteran las posiciones de los núcleos, pero si pueden generar transiciones a niveles energéticos más altos. Por otra parte, dado que dicho comportamiento se encuentra generalmente en sólidos covalentes cristalinos de naturaleza semiconductora, el traslape de orbitales moleculares en la estructura periódica genera un potencial periódico dentro del sólido, el cuál se traduce a la formación de un bandgap que no permite la transición de electrones entre la banda de valencia y la banda conductora con el mismo momento cristalino. Es decir, para que exista una promoción de bandas, un fotón debe promover la energetización del electrón, mientras que el fonón (excitación colectiva en un arreglo periódico y elástico en un sólido o líquido) debe transferir el momento. Por lo tanto, la absorción de fotones por un sólido perturba el equilibrio de distribución de electrones, formando un gradiente alejado de la superficie.

Imagen 3: Transiciòn electrónica por absorción fotónica (izquierda). Transición de electrónica de la banda de valencia a la banda de conducción por la absorción energética de un fotón y la transferencia de momentum por los fonones (derecha). Referencias

Wikipedia (2015). Direct and indirect band gaps . Revisado el 3 de Mayo de 2015 de https://en.wikipedia.org/wiki/Direct_and_indirect_band_gaps

Schiavello M. (1997). Heterogeneous Photocatalysis. Palermo, Italia. Library of Congress Cataloging­in­Publication Data editado por Wiley.

Wells A.F (1978). Química inorgánica estructural. Capítulo 6, págs 210­213. Editorial Reverté. Mineralogy Database (1997­2014). Anastase Mineral Data Mineralogy Database (/1997­2014). Rutile Mineral Data

Mandujano Negrete V. Joely

Valencia Cruz Steven

LÁSERES EN ESTADO SÓLIDO

La palabra láser corresponde a las iniciales de "Light Amplification by Stimulated Emisión of

Radiation" (luz amplificada por la estimulación de emisiones de radiación). Un láser es un

generador de luz y un amplificador que genera una sola longitud de onda o color de luz.

La emisión de luz por estimulación tiene dos características. Primero, una inversión de la

población electrónica es creada y su decaimiento del estado excitado toma lugar mucho más

lentamente que lo esperado para la emisión espontánea y permite el bombeo de un exceso de

electrones hacia el estado excitado, proporcionando más electrones en este estado, que en el

estado basal. Segundo, los electrones en el estado excitado son estimulados a decaer y emitir

radiación de una cierta energía por un fotón incidente de la misma

energía. Si existe un número grande de electrones en el estado

excitado, un efecto en cascada ocurre, generando un haz intenso de

radiación monocromática que está en fase y es coherente.

Usando un sistema de espejos en el diseño del láser, el material del

que está hecho es re-irradiado con los fotones que acaban de ser

liberados por emisión espontánea; esto dispara el proceso de

emisión por estimulación. La radiación láser se caracteriza por un

alto grado de cromaticidad, coherencia, direccionalidad y

brillantez. A estas propiedades se puede agregar una quinta, la

capacidad de producir pulsos de luz muy cortos.

Un láser necesita un medio que presente la estructura de nivel de

energía deseada para permitir el efecto láser. El medio puede ser

un gas, un cristal sólido aislante, un líquido ó un cristal

semiconductor, por consiguiente, se tienen láser de estado sólido

(ver tabla 1), láser gaseoso, láser coloreado y láser semiconductor,

etc.

Medio Principales

longitudes

de onda

Salida Modo Eficiencia

típica %

Diámetro

del haz

típico (mm)

Rubí 694 nm 30mJ-100J Pulsos 0.5 5-10

Nd-YAG 1.064 µm 10mJ-150mJ Pulsos 1-2 1-10 Tabla1. Características de los láseres de Estado Sólido

El uso del término “laser de estado sólido” esta generalmente reservado para aquellos láseres

que tienen como especies activas iones introducidos como impurezas en un material huésped

transparente. Iones provenientes de una de las series de los elementos de transición de la tabla

periódica, en particular de las tierras raras o iones de los metales de transición, son usados

mayormente como las impurezas activas. Por otro lado, para los materiales huésped, tanto

óxidos, por ejemplo, Al2O3; como fluoruros, como YLiF4, son los más comúnmente utilizados.

Una comparación entre los óxidos y fluoruros, muestras que los primeros tienen ventaja de ser

más duros, con propiedades mecánicas y termo-mecánicas mejores. Los segundos en cambio,

muestran mejores propiedades termo-ópticas. Vidrios tanto de la familia de los silicatos

(basados en SiO2), o de los fosfatos (basados en P2O5), han sido utilizados solamente para

hospedar iones de los elementos de las tierras raras. Comparados con los cristalinos, muchos

Imagen 1. Coherencia y pulso corto

Tiempo

vidrios tienen temperaturas de fusión mucho más bajas y, por lo tanto, son más fáciles y baratos

de fabricar, incluso en dimensiones más grandes. Sin embargo, este tipo de láseres tienen menor

conductividad térmica, lo cual genera peores propiedades termo-mecánicas y termo-ópticas.

Láseres de rubí

El láser de rubí fue el primer dispositivo emisor continuo de luz coherente. Los rubíes

empleados en los láseres son piedras preciosas o gemas sintéticas. Se obtienen fundiendo óxidos

de aluminio y cromo para formar grandes cristales. El rubí es corindón (una forma de Al2O3)

con un 0.04-0.5% de iones Cr3+ como impurezas reemplazando iones de aluminio, por lo que

los iones cromo ocupan sitios octaédricos distorsionados.

Cabe resaltar que de esta pequeña cantidad de cromo depende

el funcionamiento del láser, puesto que se tiene que los

niveles 3d del ion cromo estarán desdoblados. Además el

Cr3+ tiene tres electrones 3d y, en el estado basal, éstos

ocupan orbitales individuales con espines apareados. Cuando

se absorbe luz, uno de estos electrones puede sufrir

transiciones a un nivel 3d de mayor energía. Teniéndose así,

que los iones absorben la luz y sus electrones pasan a los

estado 3 y 4 (tal como se muestra en la imagen 2). Luego

experimentan una transición no radiactiva al estado 2. Como

la probabilidad de una emisión espontánea en estado 2 es baja

y no hay una ruta conveniente no radiactiva hacia el estado

basal, se puede acumular una población considerable en el

estado 2. Cuando algunos iones en estado 2 regresan al

estado basal (aproximadamente 5 milisegundos después), se

emiten espontáneamente los primeros fotones.

Los fotones resultantes estarán en fase con

los fotones espontáneamente emitidos y

viajarán en la misma dirección, e inducirán

emisiones adicionales conforme viajen a

través del rubí, el cual estará en una

concavidad reflectora de manera que los

fotones se reflejen de nuevo hacia los

cristales cuando lleguen al borde. Los

fotones reflejados inducen una emisión

adicional y es así como se forma un haz

apreciable de luz coherente.

Además de rubí, actualemnte se emplean

otros cristales, tales como la fluorita (con

iones Nd3+, Sm3+,Ho3+), óxido de calcio y

tungsteno (IV) (con iones Nd3+).

Bibliografía

Carroll John M. “The story of the laser”. Dutton and Co. New York 1970. Páginas 1-17.

Smart. L.E., Moore E.A. Solid State Chemistry. An introduction. 3rd Ed. Taylor & Francis

Group. USA, 2005. pp. 222-227, 293-305.

West A.R. Solid State Chemistry and its Aplications. 2nd Ed. Wiley & Sons. UK, 2014. pp.

Svelto O. Principles of Lasers. 5th Ed. Springer. New York, USA. 2010. pp. 1-14, 374-427.

W. Koechner, Solid-State Laser Engineering, 4th Ed. Springer. Berlin 1996 Sects. 2.2 and 3.6.1.

Imagen 2. Estados del ion Cr3+ que participan en la transición en el láser de rubí.

Imagen 3. Láser de rubí (arriba), Luz coherente emitida por éste (abajo)

Piezoeléctricos

Guzmán Espinoza Carlos Víctor

Eduardo Martín Rico Sotomayor

¿Cuándo se descubrieron los

piezoeléctricos?

El efecto de piezoelectricidad fue descubierto

por los hermanos Curie en 1880 aunque ya

habido intentos no concluyentes de sugerir una

relación entre el estrés mecánico y la

electricidad.

Ellos establecieron, además, la relación entre la

piezoelectricidad y la simetría de los materiales,

pero Woldemar Voigt la determino más

rigurosamente en 1894.

¿Qué es un piezoeléctrico?

Un piezoeléctrico es un sólido cristalino sin

centro simétrico en su estructura. Cuando son

sometidos a un estrés, estos materiales exhiben

polaridad eléctrica, que implica un cambio de

potencial y a su vez resulta en conducción

eléctrica. La relación entre la fuerza externa

aplicada en un piezoeléctrico F y su polarización

P es una relación lineal:

𝑃𝑖 = 𝑑𝑖𝑗𝐹𝑗

Donde d es el coeficiente piezoeléctrico. Por

ende, también, al aplicar un campo eléctrico a un

material piezoeléctrico, éste sufrirá una

deformación mecánica.

Los piroeléctricos son materiales en los que se

observa un cambio de la polarización eléctrica

dependiente de la temperatura. Estos materiales

a su vez contienen a los materiales

ferroeléctricos.

La distorsión que sufre la simetría de un cristal

por influencias de una fuerza externa resulta en

una distribución de cargas diferente, la imagen

muestra que hay cargas opuestas que están

más lejos unas de otras lo cual genera una

diferencia de potencial, y a su vez genera una

intensidad de corriente.

Dado que el fenómeno piezoeléctrico depende

de la estructura y simetría del material un cambio

en ésta afecta las propiedades piezoeléctricas.

Estos cambios, por ejemplo, se dan en las

diferentes fases del material, (las fases de los

materiales en general son dependientes de la

temperatura) por lo tanto habrá temperaturas a

las cuales el material se encontrará en una fase

que no presente propiedades piezoeléctricas.

Ferroeléctricos

Piroeléctricos

Piezoeléctricos

Aplicaciones

Un ejemplo cotidiano del uso de un

piezoeléctrico son los encendedores eléctricos,

estos utilizan un material piezoeléctrico al cual

se le aplica una presión para generar una

diferencia de potencial y a su vez una chispa que

enciende el gas.

Ejemplos más sofisticados incluyen desde

proyectos de pistas de baile que alimentan la

energía del club con los pasos de la gente,

caminos pavimentados con piezoeléctricos que

carguen baterías y alimenten más tarde el

alumbrado público. Hasta cosas tan

complicadas como el uso médico de ultrasonido

generado por los cambios de presión en el

material producto de la aplicación de una

diferencia de potencial.

¿Cómo se sintetizan los materiales

piezoeléctricos?

La síntesis de materiales piezoeléctricos se

puede llevar a cabo por medio de distintos

métodos como:

Síntesis solvotermal

Sol-gel

La síntesis solvotermal tiene la ventaja sobre el

método cerámico para síntesis de

piezoeléctricos como la baja temperatura de

reacción, la disponibilidad del sustrato en las

tres dimensiones, y un alineamiento automático

de la polarización durante el proceso. Esto hace

que el resultado de la síntesis sea un filme

piezoeléctrico de alta calidad

La síntesis por método sol-gel tiene la ventaja

que el producto es de alta pureza,

homogeneidad y hay un mayor control macro y

micro en las estructuras además de una

temperatura baja de reacción.

Referencias.

http://www.sustainabledanceclub.com/technolo

gy consultado 9/5/2016

Cheetam A.K., “Solid State Chemistry”, Oxford

University Press, 1ra ed, Inglaterra, 1992.

West Anthony R., “Solid State Chemistry and its

Aplications”, John Wiley and Sons, 3ra,

Inglaterra, 1992.

journal of materials science 20 (1985) 4479-

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J. Acoust Soc. A m.7 0(6), Dec.1981

Ultrasound 2011; 19: 187–196. DOI:

10.1258/ult.2011.011027

Química del Cemento

Pablo Arturo Aguilar Rodríguez Emmanuel Alejandro García Villatoro

Introducción Pocos no estarían de acuerdo de que el concreto es un

importante y útil material, después de todo, el concreto

es la columna vertebral de la infraestructura mundial, es

de hecho el segundo material más consumido en el

mundo después del agua. Tan solo en el 2006 se usaron

entre 21 y 31 mil millones de toneladas de cemento en el

mundo.1

Los componentes del cemento son materiales comunes

como arena, yeso y agua. Los antiguos romanos

producían morteros usando una mezcla de cal, ceniza

volcánica y arcilla triturada. El arte del cemento romano

se perdió por siglos y no hubo ningún avance hasta 1756

con la creación del cemento Portland compuesto de 63%

CaO [C], 20% SiO2[S], 6% Al2O3 [A] y 3% Fe2O3[F]. A nivel

molecular el cemento es una pasta de hidratos de silicato

de calcio polimerizados en una matriz densamente

reticulada. Su propiedad más importante es llamada

hidraulicidad: la habilidad de fijarse y permanecer

insoluble en agua. 2

Formación del cemento

Es vital para el propósito de este documento hablar del componente principal del cemento, el Clinker. El Clinker es un material sólido rocoso que una vez molido se convierte en el elemento reactivo del cemento.

Un polvo de cemento de calidad requiere la presencia de

dos componentes mayores, silicato tricálcico [C3S:

3CaO∙SiO2] y silicato dicálcico [C2S: 2CaO∙SiO2]. Estos

materiales reaccionan violentamente en agua para

producir la pasta de cemento. De los dos el silicato

tricálcico es más deseable porque se hidrata y fija mucho

más rápido que el silicato dicálcico (horas contra días).

Aunque es posible producir C3S usando una mezcla de

CaO y SiO2 (30% SiO2) se opta mejor por agregar alúmina

logrando así trabajar en fase líquida a una temperatura

de 1500°C (2200°C sin alúmina). Esto se logra ya que se

modifica la temperatura de estabilidad del C3S y al

formarse el mineral etringita este funde a 1450 °C,

llevándose a cabo las reacciones en el seno del líquido.

Se añade una figura que muestra la evolución de la

reacción a diferentes temperaturas2.

Hidratación del cemento

Este proceso comienza con la disolución del C3S. Iones

oxígeno en la superficie de la red del C3S reaccionan con

protones del agua y forman iones hidróxido que a su vez

se combinan con iones Ca2+ para formar Ca(OH)2. Los

compuestos disueltos se combinan para formar gel de

silicato de calcio hidratado [CSH: (CaO)x∙SiO2∙yH2O, x<1.5]

en solución solida con Ca(OH)2.

La mayoría de los polvos de cemento tienen yeso (CaSO4)

que es añadido antes de envasarse. El yeso actúa para

retrasar el período de pre-inducción para evitar un

fraguado rápido del cemento. El yeso reacciona con

aluminato tricálcico (Ca3Al2O6) para formar varios

aluminatos y la fase sulfoaluminada es comúnmente

llamada fase etringita.

Después de algunos minutos de hidratación el período de

inducción comienza donde la reacción se ralentiza

significativamente. La razón exacta de este período de

inducción no se conoce. Una teoría afirma que la capa de

CSH cubre rápidamente la superficie de la disolución de

C3S, retrasando la reacción. En cualquier caso, el período

de inducción se produce y varía en tiempo, dependiendo

del tipo de cemento y la aplicación deseada, que suele

durar varias horas. Esta propiedad de hidratación del

cemento es lo que hace que sea fácil de usar como

material de construcción pues es un semi-sólido que

puede verterse fácilmente en la forma deseada. A

Pro

po

rció

n e

n m

asa

25°C

menudo los geles acuosos son semisólidos debido a la

interacción entre las moléculas de agua y las superficies

de las partículas. Al mezclar el sistema se le proporciona

energía para superar estas interacciones y permite que

sea más fluido. Se requiere mezclar constantemente

para mantener el material en un estado fluido.

Después de la inducción, la velocidad de reacción se

acelera. En este punto, los procesos de hidratación están

limitados por la nucleación y crecimiento de los

productos de hidratación. Esta etapa de aceleración se

caracteriza por una rápida hidratación de C3S, seguido

lentamente por la hidratación del C2S. Durante este

proceso, el hidróxido de calcio alcanza su máxima

concentración en la solución y, comienza a precipitar

como hidróxido de calcio cristalino. A medida que la

solución se concentra con producto sólido la velocidad

de hidratación disminuye y se convierte en una difusión

controlada. La velocidad disminuye a tasas

insignificantes, pero continúan durante semanas como

gel de CSH.

Estructura

El endurecimiento del cemento o concreto es causado principalmente para la formación de puentes Si-O-Si. La estructura del cemento fijo es complicada, estudios de RMN de 29Si indican que el cemento tiene estructuras cercanas a la de los minerales Tobermorita y Jennita2 estos minerales se caracterizan por capas de óxido de silicio polimerizado y reticulado con óxido de calcio o hidróxido de calcio. El cemento presenta una red de poros capilares de entre 50 y 1000 nm que se extiende por todo el sistema actuando como canales entre varios componentes del sistema.

En su forma final, el cemento es una suspensión de

hidróxido de calcio, etringita, y los materiales del clinker

sin reaccionar en una solución solida de pegamento

mineral llamado CSH.

El cemento es el principal constituyente del concreto

actuando como agente de unión. Al agregarse agua al

cemento y agregado grueso como grava resulta en

concreto. La calidad del concreto es determinada en gran

medida por la ratio de cemento y agua4. Es la facilidad de

producción a partir de materiales comunes, fuerza y

adaptabilidad que han convertido al concreto en el

material más importante para la construcción alrededor

del mundo.

Referencias

1. The Cement Sustainability Initiative. World Business Council for Sustainable Development. 2009. Pag. 7

2. MacLaren, D. and White, M. (2003). Cement: Its Chemistry and Properties. J. Chem. Educ., 80(6), p.623-635.

3. Kurdowski, W. (n.d.). Cement and concrete chemistry. Pag. 1-2

4. Housecroft, C. E.; Sharpe, A.G. Inorganic Chemistry 3er edición. Pearson. 2008. Italia. p. 414-415

Semiconductores Transparentes 2016

García Arellano José Alberto Martínez Nicacio Javier Omar Página 1

Las sustancias cuya conductividad es pequeña a bajas temperaturas pero aumenta con el

calor, la luz o la adición de ciertas impurezas, se denominan semiconductores. El

germanio y el silicio en estado elemental, poseen una energía en la cual no pueden

conducir la electricidad, y es conocida como band gap. Así mismo, estos elementos

pueden ser inducidos por medio de otro elemento que interfiera en la transición a lo largo

del band gap, a los cuales se les conoce como semiconductores intrínsecos. Para

describir estas propiedades hacemos uso de los términos de la denominada teoría de

bandas.

Características Químicas y Estructurales.

Muchos de los semiconductores más importantes son óxidos. Los Óxidos Conductores

Transparentes (TCO) son semiconductores que son simultáneamente transparente y

altamente conductores. La estructura cristalográfica es policristalina o amorfa. Los

primeros TCO investigados fueron los CdO en polvo compacto y en forma de película

delgada .Los (TCO) más populares

son los ITO (Óxidos de Indio y

Estaño). El término ITO significa una

variedad de materiales de Óxido de

Indio, dopado con Sn estando

típicamente en una proporción en un

rango del 5 al 10%, aunque esto no

está estrictamente definido. La

estructura Cristalina del In2O3 se

muestra en la Fig. 1.0. El efecto de

remplazamiento de átomos de Indio por átomos de Estaño en la estructura de In2O3,

modifica sus propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas de este llamado ITO.

Descripción Sustancial del fenómeno.

Los óxidos de Indio Estaño (ITO) In2O3 están dopados con diez por ciento en masa por

SnO2 para formar un semiconductor tipo n. El material es transparente en la región del

visible, y es conductor de la electricidad. El material es depositado sobre superficies de

películas delgadas por una gran variedad de métodos tales como deposición física de

vapor y pulverización de bombardeo de iones. Los principales usos de estas películas son

como revestimientos conductores transparentes de cristales líquidos y pantallas de

plasma, paneles táctiles, celdas solares y diodos orgánicos emisores de luz (LED). El

punto de fusión de los (ITO) es de 1900°C. Las vacancias de Oxígeno en la estructura son

las que que se atribuyen tradicionalmente como la causa de la conductividad en los TCO,

así como otros defectos nativos inherentes de estos materiales, y otros defectos

complejos considerados.

Para comprender de una mejor manera el funcionamiento de los semiconductores

transparentes, consideremos un polímero LED típico que se construye sobre un sustrato

Semiconductores Transparentes 2016

García Arellano José Alberto Martínez Nicacio Javier Omar Página 2

de vidrio. La parte inferior es una capa de conductor

metálico transparente (ITO) la cual actúa como un

electrodo (Fig. 2.0).

Además de todo esto hay una capa de polímero

conjugado sin dopar como polifenilenvinileno y encima

un metal fácilmente ionizado tal como Ca, Mg/Ag ó Al.

Dicho metal forma el segundo electrodo. Para actuar

como un LED, se aplica una diferencia de potencial a

través de los dos electrodos de tal forma que la capa

de ITO está cargada positivamente. En la interfaz

ITO/polímero, el movimiento de los electrones va del

polímero a la capa de ITO, pues son atraídos por la

carga positiva. Esto deja huecos en la banda de

energía más baja. Al mismo tiempo, los electrones del

segundo electrodo cargado negativamente se mueven

en el polímero y viajan hacia la capa del ITO. Cuando

un electrón tal alcanza una región del polímero cuando existen vacantes en la banda de

energía más baja, puede saltar a esta banda de emisión de luz como lo hace. La longitud

de onda de la luz como un semiconductor led dependerá del band gap.

Descripción de la Teoría que lo fundamenta.

La propiedad de la transparencia en un sólido semiconductor deviene en la teoría de

bandas por del efecto fotoeléctrico, debido a que la energía que la red cristalina absorbe

de sus alrededores por medio de radiación electromagnética provoca una transición

electrónica en el banda gap, generando una corriente eléctrica.

Cuando el fotón es absorbido por la red cristalina, la longitud de onda del fotón emitido no

se encuentra en el rango del visible, por lo que el sólido se mantiene en condiciones en

las que las características ópticas del medio, no contribuyen a la conducción.

Por su parte, el band gap permite que la absorción de radiación sea de tal manera que el

sólido sea transparente desde la radiación IR (y energías más bajas) hasta la luz UV, esto

es, la absorción de la radiación incidente no es muy poca, a comparación de cuando el

sólido adquiere color. El band gap determina la energía que el sólido debe absorber para

comenzar a ser opaco, por lo cual, en la energía por debajo de dicho valor, dicho sólido

conserva dicha condición.

Es así como los defectos y la concentración de impurezas (elementos ajenos a la celda

original) que pueda contener un sólido, determina la energía con la cual el band gap se

mantenga en los estándares del material.

En efecto de la barrera energética para la emisión de luz, los semiconductores

transparente tienen un amplio uso, debido a que la energía de los fonones, los cuales son

vibraciones producidas dentro de la red cristalina, requieren de una mayor temperatura

Semiconductores Transparentes 2016

García Arellano José Alberto Martínez Nicacio Javier Omar Página 3

para contribuir con la conducción en el sólido, por lo que estos materiales son utilizados

como dispositivos de electrónica como constituyentes del ánodo en diversos tipos de

LED’s, incluidos un tipo particular que son los LED’s orgánicos, los cuales son construidos

a base de polímeros que están constituidos por enlaces pi conjugados, que permiten una

movilidad de huecos a través de la deslocalización electrónica, lo cual obliga a tener un

mejor control en los huecos que se transportan a lo largo del diodo.

Los métodos de síntesis, dadas las dimensiones en las cuales se debe de encontrar el

material entre los más ocupados son las rutas de sol-gel y la deposición de vapor que se

emplean para la producción de películas delgadas, dado, que en ambas situaciones, los

precursores de los reactivos ofrecen la ventaja de controlar mediante la temperatura (en el

primero una especie de gel proveniente de alcóxidos del metal que se quiere reaccionar

se deshidrata mientras que en la segunda las moléculas que contienen al compuesto de

interés se descompone en fase gaseosa).

Bibliografía

-West A., Basic solid state chemistry, Ed. John Wiley and sons, 2º ed, 2003, Gran

Bretaña, p.p. 414-415, 426-427

-Smart L., Solid state chemistry an introduction, Ed. Chapman and hall, 1º ed, 1992, Gran

Bretaña, p.p. 83-87, 221-225

-West A., Solid state chemistry, Ed. John Wiley and sons, 1º ed, 1992, gran Bretaña, p.p.

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-Ellmer K, Transparent conductive Zinc oxide, Ed. Springer Berlin Heidelberg, 1ºed, 2008,

p.p. 1-2, 79-80 http://link.springer.com.pbidi.unam.mx:8080/book/10.1007%2F978-3-540-

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-Fahlman B, Materials chemistry, Ed. Springer Netherlands, 1º ed, 2011, p.p 18, 239, 326-

328 http://link.springer.com.pbidi.unam.mx:8080/book/10.1007%2F978-94-007-0693-4

-P D C King & T D Veal Conductivity in transparent oxide semiconductors J. Phys.:

Condens. Matter 23 (2011) 334214 (17pp) http://iopscience.iop.org/0953-

984/23/33/334214

-David S. Ginley. Handbook of Transparent Conductors Ed. Springer.

- Marius Grundmann. The Physics of Semiconductors An Introduction Including

Nanophysics and Applications Third Edition Springer Chapter 20 Transparent Conductive

Oxide Semiconductors, p.p. 575-579

9 de Mayo de 2016

Florido Ortega Sara Maetzin Margarita

Márquez Avilés Raúl

SUPERCONDUCTORES

Si el mercurio se enfría por debajo de 4.1 K,

pierde toda resistencia eléctrica. Este

descubrimiento de la superconductividad por H.

Kammerlingh Onnes en 1911 fue seguido por la

observación de otros metales que presentan

resistividad cero por debajo de una cierta

temperatura crítica. El hecho de que la

resistencia es cero ha sido demostrada

manteniendo corrientes superconductoras en

anillos de plomo durante muchos años sin una

reducción medible.

Una de las propiedades de un superconductor es

que omite los campos magnéticos, fenómeno

llamado “efecto Meissner”.

La desaparición de la resistividad eléctrica fue

modelada en términos de emparejamiento de

electrones en la red cristalina por John Bardeen,

Leon Cooper y Robert Schrieffer en lo que

comúnmente se llama la teoría BCS para

superconductores tipo I.

Tomado de:

http://noticiasmasmas.com/la-proxima-evolucion-o-revolucion-en-la-

superconductividad/

La combinación de no resistencia y el

diamagnetismo perfecto, resulta en una distinción

clara entre un superconductor y un “conductor

perfecto” (el cual tiene la omisión de resistencia

como única propiedad de transporte).

Imagen 2. Experimentos hipotéticos que muestran la diferencia

entre un superconductor y un conductor perfecto.| Experimento 1.

Muestra enfriada sin campo magnético externo el cual es

posteriormente aplicado. Experimento 2. Muestra enfriada en un

campo magnético.

Efecto Meissner

Cuando un material realiza una transición del

estado basal al estado superconductor, este

excluye activamente campos magnéticos de su

interior, esto es llamado efecto Meissner.

Esta limitación al campo magnético cero dentro

de un superconductor es distinta del

diamagnetismo perfecto que surge de su

resistencia eléctrica cero, la cual implicaría que si

se trató de magnetizar un superconductor, se

generarían bucles de corriente para cancelar

exactamente el campo impuesto (ley de Lenz).

Pero si el material ya tenía un campo magnético

constante en él cuando se enfrió a través de la

transición superconductora, se esperaría que el

campo magnético sea continuo. Si no hubiera

cambio en el campo magnético aplicado, no

habría voltaje generado (ley de Faraday) para

conducir las corrientes, incluso en un conductor

perfecto. Por lo tanto la exclusión activa de

campo magnético debe ser considerado como un

efecto distinto de cero resistencia. Un estado

mixto del efecto Meissner se produce con

materiales de tipo II.

Imagen 3. Curva de magnetización reversible de un superconductor

cilíndrico tipo II. El campo magnético es aplicado paralelo al eje del

cilindro.

Una de las explicaciones teóricas del efecto

Meissner proviene de la ecuación de London.

Esto demuestra que el campo magnético decae

exponencialmente en el interior del

superconductor sobre una distancia de 20 a 40

nm. Se describe en términos de un parámetro

denominado profundidad de penetración London

(London penetration depth).

Superconductores tipo II

Los superconductores hechos de aleaciones son

llamados superconductores de tipo II. Además de

ser mecánicamente más duros que los

superconductores de tipo I, exhiben mayores

campos magnéticos críticos (Valor del campo

magnético a partir del cual un superconductor

que está a una temperatura fija inferior a su

temperatura crítica pasa al estado basal). Los

superconductores de tipo II normalmente existen

en un estado mixto de regiones normales y

superconductoras.

Los semiconductores tipo II también conocidos

como semiconductores extrìnsecos están hechos

mediante la introducción de diferentes átomos,

llamados átomos dopantes , en el cristal. Este

tipo de materiales extrìnsecos se pueden

clasificar de dos maneras:

Tipo n: Los átomos dopantes añadidos al

cristal semiconductor en este caso son

átomos donantes.

Tipo p: Los átomos dopantes en este

caso son átomos aceptores.

Por ejemplo: Cuando se agregan átomos

pentavalentes (donador), como el As, al

germanio, se forman enlaces covalentes con los

átomos de Ge. En la Fig. 7 se ve el esquema de

una red cristalina de Ge, en el que un átomo de

Ge ha sido reemplazado por uno de As. Como se

sabe, la estructura electrónica del As

([Ar]3d104s23p3) es similar a la del Ge

([Ar]3d104s24p2), solo que el As posee un

electrón adicional en su capa externa. No

obstante, el As puede aún formar enlaces

covalentes con el Ge, como se observa en la

figura.

Imagen 4. Derecha: Cristal de germanio en el que un átomo de Ge

ha sido reemplazado por uno de As. Izquierda; Cristal de germanio

en el que un átomo de Ge ha sido substituido por uno de Ga.

Consecuentemente, en este caso, el átomo de As

adquiere una carga positiva, dejando un electrón

disponible para la posible conducción en la red.

Este proceso da por resultado un semiconductor

de Ge cuyas propiedades han sido modificadas,

pues en el semiconductor formado

(semiconductor extrínseco), hay más electrones

disponibles y el material se denomina ahora

semiconductor tipo n.

En forma similar, si la impureza agregada son

átomos trivalentes (aceptor), como el Ga

([Ar]3d104s2 4p 1 ) o el In([Kr]4d 105s 2 5p 1 ),

se forman nuevamente enlaces covalentes2 con

el Ge, pero ahora se tendrán cargas positivas

disponibles (huecos), ya que el aceptor (Ga, por

ejemplo), solo tiene un electrón en su capa más

externa. De la misma forma, cuando se agrega

como impureza átomos de Ga a la matriz de Ge,

se forma otro semiconductor extrínseco, al cual

ahora se le denomina semiconductor tipo p.

Al agregar, en forma controlada, alguno de los

dos tipos de impurezas a una matriz de germanio

(muy puro), se dice que el germanio ha sido

dopado. Para poder entender estos dos

fenómenos, hay que hacer referencia a la Fig. 8,

en la cual se ven dos esquemas

(correspondientes a cada caso). Cuando se dopa

un semiconductor (intrínseco), las bandas de

valencia y de conducción se hallan más cerca

que en el material original. Esto significa que la

barrera de energía. (banda prohibida), se ha

reducido, siendo ahora menor a 0.7 eV, en el

caso del germanio.

Imagen 5. Niveles de energía de las impurezas donadoras y

aceptoras de electrones.

Flujo de corriente en materiales tipo n y p.

En un espécimen puro de material

semiconductor, hay (como ya se indicó) el mismo

número de portadores de carga de ambos tipos

(huecos y electrones), por lo que el material es

en esencia neutro. Sin embargo, cuando un

semiconductor intrínseco es dopado, aunque

siempre exista la presencia de ambos tipos de

conducción, el tipo de impureza determinará la

predominancia de una clase de conducción u

otra. Si el material es dopado con la impureza

donadora de electrones, la conducción será

predominantemente electrónica (material tipo n),

pero si el material ha sido dopado con una

impureza aceptora de electrones, la conducción

será predominantemente por huecos (material

tipo p).

Similarmente al caso de un metal, la aplicación

de voltaje en un material tipo n, causará que un

electrón débilmente ligado al átomo de impureza,

se mueva hacia un punto de potencial positivo

―flujo de corriente electrónica (Fig. 10). Pero, en

forma inversa a lo que sucede en el metal, un

incremento en la temperatura permite que más

electrones se encuentren disponibles para la

conducción (disminución de la resistencia del

material). En un material tipo p, por otro lado, la

conducción se da por transportadores de carga

positiva (huecos), que se "mueven" hacia la

terminal negativa del circuito (flujo de corriente

por huecos).

Imagen 7. Flujo de corriente en un material tipo n.

Imagen 8. Flujo de corriente en un material tipo p.

Referencias

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S.N. Cambridge University. United Kingdom.

1999. first edition. pp 2, 25.

http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/c

ondsemicondais2_27505.pdf-“ Conductores

semiconductores y aislantes”, Farrera Luis,

pp. 4, 5 y 6.

http://www.eng.umd.edu/~dilli/courses/enee

313_spr09/files/supplement1_carrierconc.pd

f- “Intrinsic and Extrinsic Semiconductors,

Fermi-Dirac Distribution Function, the Fermi

level and carrier concentrations”, Zeynep

Dilli, Oct. 2008, rev. Mar 2009, pp. 3

http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbase/s

olids/scond.htm

SUPERCONDUCTORES TIPO I

Eduardo González Cervantes y José Francisco Amador Molina

Todos los materiales, aún los que son mejores conductores eléctricos, ofrecen cierta

resistencia al flujo de portadores de carga a través de su estructura, por lo que es necesario

aplicar un campo externo para producir y mantener una corriente eléctrica en el material.

Un superconductor es un material que tiene una resistencia eléctrica igual a cero bajo

ciertas condiciones y rechaza completamente un campo magnético, es decir que un

superconductor funciona como un perfecto diamagneto esto se conoce como el efecto de

Mesmer o Meisner-Ochsenfeld.

Sin embargo, en 1911 un físico neerlandés llamado Kamerlingh Onnes observó un

fenómeno muy extraño al enfriar mercurio hasta temperaturas cercanas al helio (-4 K). Se

percató de que a esas temperaturas tan bajas el mercurio no ofrecía resistencia alguna al

movimiento de portadores de carga dentro de sí mismo. A este estado del material Onnes le

denominó como superconductividad por esta peculiaridad de presentar R=0Ω.

Resulta que algunos materiales a condiciones específicas de temperatura, campo magnético

e intensidad de corriente presentan este estado de superconductividad. En este estado no

solamente la resistencia es nula, sino que además los materiales excluyen el campo

magnético externo, es decir, se vuelven diamagnéticos perfectos. En el caso de los

superconductores tipo I existe una y solo una temperatura crítica que, al excederla en lo

más mínimo, se pierde de manera abrupta el estado de superconductividad.

Ahora se sabe que el origen de los superconductores es debido a las interacciones entre los

electrones y las vibraciones de los átomos en la red (conocidas como fonones, cuasi

partículas que fungen como modos cuantizados vibratorios) se produce una cierta atracción

efectiva muy pequeña entre los electrones, resultando en que los electrones forman pares

ligados, denominados pares de Cooper. Estos pares ligados formados de dos fermiones

actuarían como bosones, permitiendo así que las funciones de onda correspondientes a cada

par sean idénticas y que cada uno de los pares pueda estar en el mismo estado de mínima

energía.

La energía de apareamiento de los electrones es excesivamente débil, por ello un ligero

aumento en la temperatura del material vence la atracción entre electrones (y termina con el

estado superconductor). Por el contrario, un descenso en la temperatura produce el estado

superconductor debido a que a temperaturas tan bajas los átomos de la red y los pares de

Cooper presentes en la misma solo se manifiestan en estados cercanos al basal.

Cuando se habla de estos pares no se debe cometer el error de pensar que ambos electrones,

al estar apareados, forman y se comportan como una partícula puntual. Los electrones que

forman el par están, en realidad, separados a una gran distancia, de modo tal que la

separación entre cada par es menor que el tamaño de un único par.

Bardeen, Cooper y Schrieffer fueron quienes dieron una buena explicación del porqué los

electrones forman pares e hicieron una estimación de la energía necesaria para formarlos (y

ganaron un Nobel en 1972 por ello).

Cuando los materiales alcanzan este místico estado no necesariamente lo manifiestan de

una misma forma, por ello se agrupan en superconductores tipo I y superconductores tipo

II.

De nuestro interés son las características de los superconductores de tipo I solamente y a

continuación se enuncian:

Todos los superconductores tipo I son elementos puros.

Poseen una única temperatura crítica, Tc, por debajo de la cual el estado de

superconductor se manifiesta, y desaparece si se le rebasa en lo más mínimo de

temperatura. Esta transición de estado superconductor a conductor se da de una

manera brusca e inmediata (Como en el caso del Galio, que pierde el estado de

superconductividad apenas y se rebasa por 2x10-5

K la temperatura crítica).

H0 es el campo magnético súper crítico a 0K en los materiales del tipo 1, las

condiciones de temperatura y de campos magnéticos dentro de la envoltura creada

por Hc y Tc, hacen posible la súper conductividad. La mayoría de los

superconductores del tipo 1 pierden su comportamiento de superconductor incluso

en campos magnéticos muy débiles.

En todos los superconductores de tipo 1, la superconductividad es estable hasta un

cierto campo magnético Hc.

Su temperatura crítica es excesivamente bajas, ninguna de ellas le tomó fotografía.

Al aplicar un campo magnético externo el material crea su propio campo magnético

para contrarrestarlo, a este fenómeno se conoce como efecto Meissner. Y existe un

campo magnético crítico que, si se sobrepasa, se pierde de manera súbita el estado

superconductor

Todos los conductores tipo I pueden ser explicados en términos de la teoría de

Cooper, Bardeen y Schrieffer,

BIBLIOGRAFÍA:

- Feynman, Richard. Leighton, Robert B., Física, Volumen 3: Mecánica cuántica, Adison-

Wesley Iberoamérica, Massachussets, 1965, págs.: 21-9 - 21-13.

- Dougherty, Ralph. Kimel, J. Daniel, Superconductivity revisited, CRC Press, Florida,

EUA, 2013, págs.: 119-126, 135-141.

- Askeland, Ciencia e Ingenieria de los Materiales, 4ª edición 2004 pag. 804-806.

Sinecio Ontiveros Mónica Itzel Fecha de entrega: mayo 9, 2016

Tecnología LED

Un led es un componente optoelectrónico pasivo y, más concretamente, un diodo semiconductor

que al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz. Los diodos semiconductores son

componentes electrónicos constituidos por varias capas de materiales semiconductores, cada una

compuesta por una capa que cuenta con un exceso de electrones negativos, otra con un defecto de

electrones, que funciona como si tuviera huecos de carga positiva, y una neutra que los separa.

Cuando se aplica una corriente, los electrones de la primera capa son atraídos hacia la de huecos

positivos, creando luz.

Es decir que en un LED, la electricidad se convierte directamente en fotones o partículas de luz,

mientras que en otras fuentes la mayor parte de la electricidad se transforma en calor y sólo una

pequeña parte en luz. En los focos incandescentes la corriente eléctrica se utiliza para calentar un

filamento que emite luz. El gas que contienen las lámparas fluorescentes produce tanto luz como

calor. Los LED requieren mucho menos energía para emitir luz, lo que los hace muy eficientes.

La longitud de onda que produce un LED, y por lo tanto su color, depende del semiconductor

utilizado. Hace más de 50 años se conocen los diodos que emiten luz verde y roja, pero era

indispensable diseñar una que emitiera luz azul para obtener la tríada necesaria para producir luz

blanca. En 2014 el premio Nobel de Física fue otorgado a los científicos japoneses Isamu Akasaki,

Hiroshi Amano y Shuji Nakamura por haber inventado el LED azul.

El fenómeno de emisión de luz está basado en la teoría de bandas. El funcionamiento físico consiste

en que, en los materiales semiconductores, un electrón al pasar de la banda de conducción a la de

valencia, pierde energía; esta energía perdida se puede manifestar en forma de un fotón

desprendido, con una amplitud, una dirección y una fase aleatoria. Cuando Al polarizar directamente

un diodo LED conseguimos que por la unión PN sean inyectados huecos en el material tipo N y

electrones en el material tipo P; O sea los huecos de la zona P se mueven hacia la zona N y los

electrones de la zona N hacia la zona P, produciéndose por consiguiente, una inyección de portadores

minoritarios.

Figura 1. Funcionamiento.

Ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que circula por el diodo. Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse, es decir, los electrones pueden pasar a "ocupar" los huecos, "cayendo" desde un nivel energético superior a otro inferior más estable.

Este proceso emite con frecuencia un fotón en semiconductores de banda prohibida directa o "direct

bandgap" con la energía correspondiente a su banda prohibida, como el Nitruro de Galio.

Sinecio Ontiveros Mónica Itzel Fecha de entrega: mayo 9, 2016

Estas emisiones son mucho más probables en semiconductores de banda prohibida directa que en

los semiconductores de banda prohibida indirecta como el Silicio.

Compuestos empleados en la construcción de LEDES

Compuesto Color Long. de

onda

(GaAs) infrarrojo 940 nm

(AlGaAs) rojo e infrarrojo 890 nm

(GaAsP) rojo, anaranjado y

amarillo 630 nm

(GaP) Verde 555 nm

(GaN) Verde 525 nm

(ZnSe) azul

(InGaN) azul 450 nm

(SiC) azul 480 nm

diamante (C) ultravioleta

silicio (Si) en desarrollo

Figura 2. Light emitting diodes.

En el Centro de Investigación en Energía de la Universidad Nacional Autónoma de México se fabrican

nanoestructuras a partir de silicio, que son de las más baratas y fáciles de producir. Para ello se usa

una oblea de silicio cristalino dopado con boro. La oblea se coloca como el ánodo de una celda

electroquímica, donde el líquido es una solución de ácido fluorhídrico y el cátodo es una placa de

platino. A través de esta celda electroquímica se hace pasar una corriente de algunos miliamperes.

Durante el ataque químico producido de esta manera se crean orificios en la oblea de silicio, dejando

una estructura de ramas con diámetros del orden de nanómetros, que se asemeja al coral marino. La

parte sólida de este "coral" es silicio cristalino. Así, la oblea se convierte en silicio poroso, es decir,

silicio cristalino agujereado. Lo importante de este material es que tiene propiedades diferentes a las

del silicio cristalino macroscópico. Aquí los efectos cuánticos hacen que el silicio poroso sea

fotoluminiscente y electroluminiscente. Esto significa que cuando es iluminado o cuando pasa por él

una corriente eléctrica, emite luz, en este caso luz visible, lo que no sucede con el silicio cristalino

macroscópico. Esta nueva propiedad hace al silicio poroso un excelente candidato para aplicaciones

en la optoelectrónica, concretamente en la fabricación de LEDS.

Bibliografía

Duhne, M. (diciembre de 2014). Los Premios Nobel 2014. ¿Cómo ves?, 193, S/P.

Tagüeña, J. & Del Río, A.. (Enero, 2003). Nanomundo: la importancia de lo pequeño. ¿Cómo

ves?, 50, S/P.

Gago, A. & Fraile, J.. (2012). Iluminación con tecnología LED. España: Ediciones Paraninfo.

Transistores

Ortiz Argüello Ana Celia

García Crisóstomo Eduardo

Un transistor es un dispositivo que regula el flujo de corriente o de tensión actuando como un interruptor o amplificador

para señales electrónicas. Que fueron inventados en 1952 y que están hechos de por materiales semiconductores.

Materiales Semiconductores.- El silicio y el germanio son con mucho los más significativos, comercialmente, entre los

materiales semiconductores. El proceso de conducción en los semiconductores se pone de manifiesto más fácilmente en

el silicio y en el germanio. Los átomos de estos elementos tienen cuatro electrones en su orbital exterior. Estos

electrones normalmente están confinados en la estructura reticular cristalina. Algunos de estos electrones de valencia

son libres a temperatura ambiente y, por tanto, pueden moverse en el interior del cristal cuanto mayor es la

temperatura más electrones tienen la libertad de movimiento. Cada lugar vacío, o hueco, dejado en la retícula puede ser

ocupado por un electrón de valencia adyacente. Como un hueco se mueve en sentido opuesto al de un electrón, los

huecos pueden considerarse como portadores de carga positiva. La conductancia electrónica es debida al movimiento

de los huecos y de los electrones bajo la influencia de un campo aplicado.

Semiconductores intrínsecos (puros) presentan un coeficiente de resistividad negativo, ya que el número de portadores

aumenta con la temperatura. Debida a los portadores generados térmicamente, sin embargo es un efecto no

conveniente ya que está en función de la temperatura y esto limita el funcionamiento del dispositivo del semiconductor.

A una temperatura dada, la concentración de portadores generados térmicamente está relacionada con la barra de

potencial (en el caso del silicio es de 1.1 eV y del germanio es de 0,7 eV) las características de los compuestos que

contienen silicio a elevadas temperaturas se debe a dicha barra de potencial

Algunos compuestos pueden alterar dichas características mediante la adición de pequeñas donadoras o aceptoras

(doping). Las impurezas donadoras o dadoras (tipo n), tienen 5 electrones de valencia, de los cuales solo cuatro están

encajados en la estructura reticular del semiconductor. El electrón extra queda libre para conducir a temperaturas

normales de funcionamiento. Las impurezas comúnmente utilizadas para dicha función son fosforo, Arsénico y

Antimonio. Por el contrario las impurezas aceptoras (tipo P) tienen tres electrones de valencia y cuando se le agrega a

un semiconductor una impureza de este tipo aumenta el número de huecos entre las impurezas que figuran para este

tipo de clasificación está el boro el galio y el indio.

En un Semiconductor Extrínseco (dopado), predomina el tipo de portadores de corriente introducidos con el aditivo.

Estos portadores, electrones en los materiales de tipo n y huecos en los tipo p, se les denomina portadores

mayoritarios. Los portadores, generados térmicamente, de tipo opuesto, también están presentes en cantidades

pequeñas y se les denomina portadores minoritarios. La resistividad está determinada por la concentración de los

portadores mayoritarios.

Uniones:

p-n La mayoría de los dispositivos depende de la unión p-n, que es la zona frontera entre una región p y n en

una pieza de monocristal de material de semiconductor. Cada región contiene una elevada concentración de

sus cargas mayoritarias y un número igual de iones de impurezas con carga opuesta. Como los electrones tiene

una concentración más elevada en la región n que en la p, se difunden por la unión de manera similar, los

huecos se difunden de la región p a la región n. este flujo deja una región de carga espacial de impurezas

ionizadas, desprovista de portadores libres a ambos lados de la unión

n-p-n Consta de dos uniones muy próximas, la unión emisor base tiene polarización directa, y la unión

colector-base tiene polarización inversa. Es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las

letras “n” y “p” se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del

transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy son de este tipo, debido a que la movilidad del

electrón es mayor que la movilidad de los “huecos “ en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes

y velocidades de operación.

Transistores

Ortiz Argüello Ana Celia

García Crisóstomo Eduardo

Los transistores n-p-n consisten en una capa de material semiconductor dopado p (la “base”) entre dos capas

de material dopado n. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor- común es

amplificada en la salida del colector

p-n-p El otro tipo de transistor de unión bipolar refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes

regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día debido a que su desempeño es poco rentable a

diferencia del anterior.

Los transistores de este tipo consisten en una capa de material semiconductor dopado n entre dos capas del

material dopado p. Los transistores p-n-p comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado

al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica extrema. Una pequeña

corriente circulado desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el

colector

Fabricación de Transistores:

Aunque existen muchas técnicas para su elaboración las dos principales son proceso de aleación o proceso de difusión

Transistor aleado de germanio se forma colocando una delgada película de germanio tipo n entre dos bolitas

de Indio y se calienta en un horno. El Indio se funde y forma una disolución con el germanio. Cuando el

conjunto se enfría, el germanio recristaliza. El germanio más cercano a las bolitas está fuertemente adicionado

con tipo p por el Indio formando una estructura p-n-p. Esto los limita a aplicaciones de baja frecuencia.

La tecnología de la difusión, por otra parte, permite un control preciso de las áreas de unión y de las anchuras

de buen comportamiento que tienen características reproducibles. El proceso para fabricar el transistor

difundido de silicio n-p-n. Se forma un óxido sobre una lámina de silicio de tipo n. Se corta una ventana (A-A´)

en el óxido mediante un proceso fotolitográfico. Se difunden en el silicio vapores de impurezas de tipo p,

pasándolas sobre las partes en que la superficie está expuesta a altas temperaturas. Se vuelve a formar el

óxido se vuelve a abrir una ventana más corta (B-B´) y A través de esta ventana se difunden las impurezas del

tipo n.

Antes de que ocurra dicho proceso podemos difundir una región +n fuertemente dopada en la cara opuesta de

la lámina de silicio, para reducir la resistencia óhmica. La base y el emisor están entonces difundidos en una

región ligeramente dopada tipo n, dando una baja capacidad de colector y una elevada rigidez. Otra manera,

puede ser formar una estructura n+-n por un proceso epitaxial en el cual se deposita una región n ligeramente

dopada sobre un sustrato n+ de la fase en vapor.

El tamaño y forma de la unión y los contornos de las impurezas pueden variarse para optimizar las

características según la aplicación. Se usan variaciones de este proceso para hacerse transistores tipo n-p-n y

dispositivos semiconductores complejos, tales como rectificadores controlados y circuitos integrados.

Bibliografía:

Edwin Jhonson et al. “Elementos de los circuitos “ tomo I, 4°Edición Barcelona, España

1989 páginas 5-60,5-65

Marco Manjarez “introducción a los semiconductores “ 2°Edición México D.F 1978

páginas 67-89

Aleaciones Una aleación es una combinación de elementos metálicos preparada mediante el mezclado de los componentes fundidos que genera un sólido que exhibe propiedades metálicas luego de permitir su enfriamiento, tienen las propiedades características de los metales. La aleación de metales es de suma importancia, ya que es una de las formas principales de modificar las propiedades de los elementos metálicos puros. Las aleaciones son mezclas homogéneas en las que los componentes están dispersos al azar y de modo uniforme. Los átomos del soluto pueden tomar las posiciones normalmente ocupadas por un átomo de disolvente, formando una aleación de sustitución, o bien pueden ocupar posiciones entre los intersticios de la red, formando una aleación de intersticio. Las aleaciones de sustitución se forman cuando los dos componentes metálicos tienen radios atómicos y enlaces químicos similares. Para que se forme una aleación de intersticio, el componente presente en las posiciones de intersticios entre los átomos del disolvente tienen radios covalentes mucho menores que los átomos del disolvente. Es típico que un elemento de intersticial sea un no metal que participa en los enlaces con los átomos vecinos. Para poder entender el fenómeno de las aleaciones se puede estudiar la disolución sólida de un metal A en otro metal B, en donde A y B ocupan al azar posiciones equivalentes en la estructura. Hume­Rothery consideró los requisitos empíricos para la estabilidad de una disolución sólida de A en B como un sistema de una sola fase y concluyó:

Los diámetros atómicos deben ser compatibles, lo cual significa que no deben diferir en más del 15%.

Debe haber una débil afinidad química para formar disoluciones sólidas. Si A es fuertemente electronegativo y B lo es electropositivo, pueden precipitar de la disolución sólida compuestos como el AB y el A2B.

Si la estructura cristalina de los metales es idéntica, la solubilidad entre ellos será apreciable.

La máxima solubilidad entre sólidos se alcanza cuando los átomos del soluto y del disolvente tienen la misma valencia.

Si los componentes no están dispersos uniformemente, se habla de aleaciones heterogéneas. Las propiedades de éstas dependen, no solamente de la composición, sino de la manera en que se forma el sólido a partir de la mezcla fundida. El enfriamiento rápido produce muy diferentes propiedades que el enfriamiento lento. Existen fases intermedias que no poseen las características de los metales puros ni de las aleaciones. La composición y estructura de estas fases están bien definidas. A este tipo de

compuestos se les denomina intermetálicos, y se forman cuando dos metales poseen una diferencia de electronegatividad elevada. Las propiedades físicas generales de las aleaciones difieren de las propiedades de los elementos que las conforman. Por ejemplo, la conductividad eléctrica de las aleaciones es en general peor que la conductividad de los componentes puros; esto se debe a que la distribución desordenada o sustitución estadística de los átomos hace que la conductividad disminuya con particular intensidad. Las aleaciones de estructura ordenada presentan una conductividad mayor. Por ello tiene una gran importancia electrotécnica la preparación de metales lo más puros que sea posible. Por otra parte, es un hecho frecuente que las aleaciones sean mucho más resistentes a la corrosión que los metales puros. Otra de las propiedades de las aleaciones es la dureza, que suele ser mayor que la dureza de los metales puros. Algunos ejemplos de aleaciones comunes y sus aplicaciones se muestran a continuación:

Elemento principal

Nombre de la aleación

Composición por peso Usos

Bismuto Metal de Wood

50% Bi, 25% Pb, 12.5% Sn, 12.5% Cd

Fusibles, rociadores automáticos

Cobre Latón amarillo 67% Cu, 33% Zn Herramientas

Hierro Acero inoxidable

80.6% Fe, 0.4% C, 18% cr, 1% Ni Cubiertos de mesa

Plomo Soldadura para plomero 67% Pb, 33% Sn Uniones para soldar

Plata

Plata sterling 92.5% Ag, 7.5% Cu Artículos para mesa

Amalgama dental

70% Ag, 18% Sn, 10% Cu, 2% Hg Empastes dentales

Referencias

1. Atkins, P. W., & Atkins, P. W. (2006). Inorganic Chemistry. Oxford. Oxford University Press. p. 80­82

2. Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E. (1993). Química: La ciencia central. México. Prentice­Hall Hispanoamericana. p. 986­988

3. Christen, H. R. (1977). Fundamentos de la química general e inorgánica. Barcelona. Reverté. p.240­244

4. Kittle, C. (1998). Introducción a la física del sólido. Barcelona. Reverté. p. 696­697

El litio es el elemento de la tabla periódica

que tiene el potencial estándar de reducción

más bajo de todos (-3.045 V), además es un

elemento muy ligero (6.941 g/mol); estas dos

cualidades lo hacen ideal para ser utilizado

como ánodo en pilas electroquímicas. Otra

característica peculiar es que debido al

carácter reductor del litio, este se recubre

con una delgada capa pasiva al estar en

contacto con el disolvente electrólito,

haciendo que se autodescargue de manera

lenta (3% gasto anual). Esto se traduce en

una vida propia muy elevada, que en

comparación con la pila de Leclanché

[Zn/NH4Cl/MnO2] (15% gasto propio anual)

tiene una duración 5 veces mayor.

A pesar de todas esas propiedades, la

reactividad del litio es elevada y fue hasta

1958 que Harris descubrió que el elemento

era estable en éteres cíclicos y que varias

sales de litio eran solubles en él, además de

que la conductividad era la suficiente para

ser electrolito en pilas. Estos resultados

proporcionaron un impulso para el desarrollo

de pilas de litio clásicas.

El uso del lito como ánodo en las pilas

requiere de disoluciones en las que el metal

sea metaestable (Carbonato de propileno, ϒ-

butirolactona, THF). En ese estado, el litio es

muy sensible a impurezas, como agua o

ácidos de Bronsted. La primera pila

comercializada fue desarrollada en los 70 por

la empresa Saft, la cual tenía la siguiente

composición:

(-) Li/LiClO4(carbonanto de prop)/Ag2CrO4 (+)

Las dificultades que conlleva ese tipo de

ánodos, propicio la investigación en

materiales, tales como aleaciones de Li-Al, Li-

Sn, Li-Pb, etc.

El electrolito debe contar con una

conductividad adecuada, además de ser

compatible con los electrodos, se utilizan

disolvente apróticos; las sales normalmente

no se disocian fuertemente en ese medio,

por lo tanto se usan sales de litio con aniones

grandes, tales como percloratos,

hexafluroboratos y tetracloroaluminatos.

Los materiales más utilizados para la

fabricación de los cátodos son los siguientes:

CuO, MnO2, Ag2CrO4, V2O5 y CuS. Muchos

materiales son capaces de producir con el

litio hasta un potencial de 3.5 V, por tanto los

criterios para escoger al cátodo es el

comportamiento químico y el costo. El MnO2

se usa como cátodo en pilas no acuosas. La

baja capacidad equivalente del compuesto

(un electrón por mol) y la gasificación que

sufre durante el almacenamiento indican que

es el material menos utilizado, sin embargo

al secarlo por corriente de hidrógeno, se

aumenta su estabilidad.

La mayor parte de las reacciones que

tienen lugar es las pilas de litio son

reversibles, pero se prefiere la construcción

de acumuladores. El mayor problema se

debe a la recarga de la batería, debido a que

es difícil depositar el metal de forma

compacta, lo que genera ciclos de carga-

descarga muy pequeños.

Las grandes aplicaciones de la batería de

litio van desde el ser utilizadas en

calculadores, hasta la fabricación de pilas de

papel, las cuales consiste en miniaturizar el

sistema a un intervalo de espesor de entre

0.3 y 0.5 mm. El resto de las aplicaciones se

muestra en la tabla 1.

El resto del escrito se dedicará a la

explicación de un sistema de litio recargable.

Baterías de Litio Integrantes: Juárez Martínez Yael. Reyes Catillo Diana Tonantzin.

Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Química.

Anteriormente se ejemplificó el uso de

diversos materiales como cátodos, esto se

explica por la existencia de fases complejas

de óxido que tienen buena conductividad

iónica y variabilidad en el estado de

oxidación de un ion de un metal d. Un

ejemplo es el LiCoO2, el cual tienen una

estructura basada en láminas octaédricas de

CoO6 que comparten aristas y se encuentran

separadas por los iones Li+:

La batería se carga al remover los iones

móviles Li+ del óxido metálico complejo:

LiCoO2 CoO2 + Li+ + e-

La batería se descarga, estando en uso,

mediante la reacción inversa.

La energía específica (la cual se define

como la energía almacenada dividida entre la

masa) del LiCoO2 se maximiza con elementos

ligeros debido al litio y cobalto; a su vez, los

metales 3d se utilizan por ser los elementos

de menor densidad con estados de oxidación

variables. La gran movilidad del ion Li+ y la

buena reversibilidad de la carga y descarga

como consecuencia de los pequeños radios

iónicos, permiten al Li+ ser extraído

fácilmente de la estructura.

Debido a las grandes cantidades de Li+ (un

ion por cada unidad fórmula de LiCoO2) se

pueden extraer reversiblemente los iones,

generando cerca de 500 ciclos de

descarga/recarga). La corriente que se libera

es de un potencial elevado y constante (3.5

V). La alta diferencia de potencial es

ocasionada por los altos números de

oxidación del cobalto involucrados (+3 y +4).

Dado que el cobalto es caro y bastante

tóxico, aún se investiga para conseguir

mejores óxidos. Se requieren nuevos

materiales que muestren altos niveles de

reversibilidad encontrados en ese material,

se han logrado avances utilizando formas de

LiCoO2 dopadas o formas nanoestructuradas,

que, por su pequeño tamaño, ofrecen

excelente reversibilidad. También se ha

encontrado que el LiFePO4 muestra buenas

características como cátodo, y contiene

hierro el cual no es tóxico y es barato.

El otro electrodo en la batería recargable

de litio puede ser simplemente litio metálico

(que como ya se mencionó, debe estar en un

disolvente adecuado), y por los

inconvenientes ya mencionados, se prefiere

el C6Li. Al descargarse la celda, se transfiere

el Li que se encuentra entre las capas de

carbono del ánodo y se intercala en el óxido

metálico del cátodo (y viceversa al cargarse),

el proceso es el siguiente:

LiyC6 + Li1-xCoO2 →←C6 + Li1-x+yCoO2

Referencias:

West, A. (1999).Basic Solid State

Chemistry. Segunda edición. Pp 346-351.

Summerfield, J. (2013). Modeling the

Lithium Ion Battery, J. Chem. Education 90

(4), pp 453–455.

Capacitores Un capacitor o condensador es un arreglo de dos conductores eléctricos de cualquier forma geométrica, llamados “placas”, aislados eléctricamente entre ellos y del ambiente, que se usa para almacenar carga eléctrica y usarla como fuente de energía. El capacitor se carga con la aplicación de corriente eléctrica y cada una de las placas con la misma magnitud de carga pero de diferente signo, produciéndose entre ellas una diferencia de potencial. Debido a que las placas están hechas de materiales conductores, el potencial de cada punto de su superficie es igual y la diferencia de potencial entre ellas se expresa con la siguiente ecuación:

𝑞 = 𝐶𝑉 (1) Donde C es una constante de proporcionalidad llamada capacitancia, que es una medida de la cantidad de carga que se debe de aplicar a las placas para producir una diferencia de potencial entre ellas y que depende de la geometría y naturaleza de éstas, pero no de la carga o diferencia de potencial que se aplique; y se expresa en Farads, F, (1 F= 1 C/V).

Para aislarlos eléctricamente, es decir, que no pierdan la carga entre ellos o con el ambiente, se utiliza un material aislante, para evitar que las cargas se atraen entre sí, no se desplacen y neutralicen, además de que no se pierdan en el ambiente; y polar o polarizable para que, al orientar los momentos dipolo (polos eléctricos) del material, el campo eléctrico en cada punto sea menor y, por lo tanto, el potencial es menor; a este material se le conoce como dieléctrico y la capacidad de disminuir al campo eléctrico efectivo de esa manera se expresa con la constante dieléctrica que, mientras mayor sea, más grande será la capacitancia del material y, por lo tanto, será más fácil disponer de la carga almacenada. La relación de la capacitancia con estas propiedades está expresada en la siguiente fórmula:

𝐶 =8.85𝑥10+,-𝐾/𝐴

𝑑 (2)

Donde Kd es la constante dieléctrica, A el área de las placas y d la distancia entre ellas.

Figura 1. A la derecha, el diagrama de la estructura general de un capacitor; a la izquierda, distintos tipos de capacitores con su carcasa (de

arriba abajo: supercapacitores, capacitores cerámicos.

Existen diferentes tipos de capacitores dependiendo de la estructura del dispositivo, materiales utilizados y su manera de operar o almacenar energía. A continuación de describen los dispositivos más comunes.

Uno de ellos, que son ampliamente utilizados, son los capacitores cerámicos. Estos condensadores constan de dos placas de metal con un material cerámico como dieléctrico. Los cerámicos tienen altas constantes dieléctricas (Kd=1000-3000) y sus propiedades físicas son las que le dan la utilidad a este tipo de capacitores por lo que existen muchas formulaciones de dieléctricos para darles diferentes características. Según su aplicación se separan en dos categorías principales: Clase 1 y Clase 2.

Los capacitores cerámicos de clase 1, también conocidos como capacitores compensadores de la temperatura, están hechos de titanatos, titanato de bario por ejemplo, como componente principal de la mezcla. En estos capacitores se tiene bien conocido el cambio de la capacitancia con la temperatura y los rangos de ella con la temperatura son generalmente pequeños, es decir, los condensadores

cerámicos de clase 1 son muy estables ante los cambios de temperatura, los más estables del mercado; además, su capacitancia casi no cambia con el tiempo. Los capacitores cerámicos de clase 2 o capacitores de propósitos generales, son condensadores que tienen una capacitancia grande en capacitores pequeños y eso los hace ser muy utilizados. Sin embargo, son poco estables ante los cambios de temperatura y la capacitancia varía con el tiempo.

Otro tipo de estos son capacitores plásticos o film capacitor, que son aquellos que usan algún tipo de polímero (tereftalato de polietileno, policarbonato, poliestireno, polipropileno, por citar algunos) como material dieléctrico. Su estructura es similar a la de los capacitores comunes: dos placas metálicas separadas por una delgada capa de polímero. Las placas son cubiertas con una pasta gelatinosa aislante y son introducidas en una carcasa de plástico. Usando técnicas de deposición de polímeros como spin-coating o dip-coating se logran películas con espesores menores a 200 nm, lo cual favorece considerablemente al valor de la capacitancia según (1). Las ventajas de estos capacitores son el precio accesible (desde 10 USD) debido al bajo costo de las láminas y los polímeros, tamaños reducidos (de hasta medio centímetro) y capacitancias considerables (del orden de milifarads). Estas características hacen que estos dispositivos sean utilizados en macro y microelectrónica, comunicaciones (teléfonos, routers, módems) y dispositivos de iluminación.

Por otro lado, existen condensadores que almacenan grandes cantidades de energía por unidad de volumen, supercapacitores. Uno de los tipos más modernos de estos son los condensadores electroquímicos. Tienen capacitancias muy altas, del orden de 10-5000F, comparadas con las de condensadores normales que son del orden de picofarads (10-12 F). Esto debido al fenómeno de pseudocapacitancia, que consiste en utilizar una reacción redox espontánea y rápida en el dispositivo, generando una capacitancia que no es de origen electrostático. Actualmente, se buscan emplear como sustitutos de baterías y para almacenar energía en diferentes sistemas microelectrónicos. Constan de un arreglo de dos colectores de corriente (motores) cubiertos de material poroso, que forman en conjunto las placas del capacitor y están separadas por un material aislante poroso impregnado de un electrólito, lo cual, aunado a que estas placas son de gran área permite la formación de una doble capa eléctrica, lo que le da al sistema las propiedades requeridas para sus aplicaciones.

Figura 2. De izquierda a derecho: capacitor cerámico, capacitor plástico, supercapacitor.

Existen muchos tipos de capacitores, a demás de los enlistados anteriormente y, en general, son dispositivos utilizados para almacenar carga y disponer de ella, como fuente de energía. Según su funcionamiento, capacitancia, tamaño y estabilidad ante cualquier tipo de estrés, es como se elige su aplicación, que va desde reguladores de corriente en circuitos de radio y televisión, hasta fuentes de poder para arranques de motores. En la actualidad, se están desarrollando nuevos tipos de capacitores, en donde su capacitancia no es de origen electrostático sino químico, lo que la hace mucho mayor y con eso aumenta la capacidad de un condensador de almacenar carga, convirtiéndolos en una fuente muy prometedora de energía alternativa por su rendimiento y porque es más amigable con el ambiente.

Resnik, R. Fundamentals of Physics Extended, novena edición. John Wiley & Sons, Inc., EE.UU., 2011, pp. 656-658. Kaiser, C. The Capacitor Handbook. Van Nostrand Reinhold, EE.UU., 1993, pp. 27-37, 41-48.

Barbero, C; Cotella, N. Fabricación de carbones poliméricos para la aplicación de supercapacitores electroquímicos. Tesis para la obtención del grado de maestra. Hall, D. B.; Underhill, P.; Torkelson, J. M. Polymer Engineering & Science, 1998, 38(12), 2039-2045. Scriven, L.E. (1988). "Physics and applications of dip coating and spin coating". Better ceramics through chemistry III. pp. 717-729.

Guerra Toro Alejandro Rosas Cortina Estefanía Leonor Química del Estado Sólido

Celdas de Combustible Hoy en día se buscan alternativas para conseguir energía, que no contaminen y que sean eficientes. Una opción son las celdas de combustible. Una celda de combustible es un dispositivo que genera electricidad debido a una reacción química. Toda celda de combustible tiene dos electrodos, uno positivo y otro negativo, llamados respectivamente, ánodo y cátodo, las reacciones que producen electricidad se llevan a cabo en éstos. También contienen un electrolito, que transporta partículas cargadas eléctricamente de un electrodo al otro, además de un catalizador, que acelera las reacciones en los electrodos. El hidrógeno es el principal combustible empleado. En estas celdas también se requiere de oxígeno. Uno de los mayores atractivos de estas celdas de combustible es que generan electricidad sin contaminar mucho (la mayoría del hidrógeno y del oxígeno usados en generar electricidad se combinan para formar un producto secundario, agua). Debido a que una sola celda de combustible genera muy poca corriente directa (DC), en la práctica, se apilan varias celdas en montones para producir una cantidad considerable de electricidad. ¿Cómo funcionan las celdas? Hay varios tipos de celdas de combustible y cada una opera un poco distinto. Pero en términos generales, los átomos de hidrógeno entran a la celda por el ánodo donde una reacción química les quita sus electrones. Estos átomos “ionizados” llevan una carga positiva. Los electrones (cargas negativas) proveen la corriente por medio de cables para realizar algún trabajo.

El oxígeno entra a la celda por el cátodo y, en algunos tipos de celda, se combina con los electrones que regresan del circuito eléctrico y con los iones de hidrógeno que han viajado por medio del electrolito desde el ánodo. En otro tipo de celdas, el oxígeno toma los electrones y viaja por el electrolito hacia el ánodo, donde se combina con los iones de hidrógeno.

El electrolito tiene un papel muy importante. Sólo debe permitir ciertos iones pasar entre el ánodo y el cátodo. Si electrones libres u otras sustancias pudieran viajar por el electrolito, alterarían o inhibirían la reacción. ¿Cuáles son algunos tipos de celdas? Las celdas de combustible por lo general se clasifican por el electrolito que se emplea en cada una de ellas. Esta clasificación determina el tipo de reacciones electroquímicas que se llevan a cabo, el tipo de catálisis requerido, el rango de temperatura en la cual trabaja la celda, el combustible que se requiere, entre otros factores. Las celdas de combustible de Alcalí operan con hidrógeno y oxígeno comprimido. Éstas generalmente usan una solución de hidróxido de potasio (KOH) en agua como electrolito. La eficiencia es de alrededor de 70% y la temperatura en la que operan es de 150 a 250°C. La potencia de salida de la celda va de 300 watts (W) a 5 kilowatts (kW). Las celdas de alkalí fueron usadas en la nave espacial Apolo para proveerla de electricidad y agua potable.

Guerra Toro Alejandro Rosas Cortina Estefanía Leonor Química del Estado Sólido

Estas celdas requieren como combustible hidrógeno puro y los electrodos de catalizador de platino son caros. También tienen la desventaja de que como cualquier contenedor con líquido, pueden presentar fugas. Las celdas de combustible de Carbonato Fundido (MCFC) usan sales (como sodio o magnesio) de carbonatos (CO3) de alta temperatura como electrolito. La eficiencia es del 60 al 80% y operan en 650°C. Se han construido unidades que generan hasta 2 megawatts (MW) y existen diseños para unidades de hasta 100 MW. Las altas temperaturas limitan el daño por “envenenamiento” de monóxido de carbono en la celda y el calor de desecho puede ser reciclado para producir electricidad adicional. Sus electrodos de catalizador de níquel son baratos comparados con los de platino usados en otras celdas. Una de sus desventajas es que las altas temperaturas en las que operan limitan los materiales que ocupan y los usos seguros de las MCFCs (probablemente serían muy calientes para usos domésticos). También, los iones carbonato del electrolito son consumidos en la reacción, haciendo necesario la inyección de dióxido de carbono para compensar. Las celdas de combustible de Ácido Fosfórico (PAFC) usan este ácido como electrolito. La eficiencia va del 40 al 80% y operan entre 150 y 200°C. Existen PAFCs con potencias de salida de hasta 200 kW y unidades de 11 MW han sido probadas. Las PAFCs toleran concentraciones de monóxido de carbono de 1.5% aproximadamente. Si se usa gasolina, se debe remover el azufre. Se necesitan electrodos de catalizador de platino y las partes internas deben soportar la corrosividad del ácido. Las celdas de combustible de Membrana de Intercambio Protónico (PEM) trabajan con un polímero como electrolito, que es una membrana delgada y permeable. La eficiencia es del 40­50% y opera alrededor de los 80°C. La potencia de salida va de 50 a 250 kW. El electrolito sólido y flexible no presenta fugas ni fisuras, además estas celdas operan en temperaturas bajas por lo que pueden usarse en casas y automóviles. El combustible debe estar purificado y usa catalizadores de platino en ambos lados de la membrana, lo que eleva los costos. Las celdas de combustible de Óxido Sólido (SOFC) usan un compuesto de cerámica duro de óxidos (O2) de metal (como calcio o zirconio) como electrolito. La eficiencia es de alrededor del 60% y operan en temperaturas cercanas a los 1000°C. La potencia de salida es de hasta 100 kW. A tan altas temperaturas no se requiere un reformador para extraer hidrógeno del combustible y el calor de desecho se puede reciclar para producir electricidad adicional. Desafortunadamente, las altas temperaturas limitan las aplicaciones de las unidades SOFC y tienden a ser bastante grandes en tamaño. Aunque los electrolitos sólidos no presentan fugas, se pueden fisurar. En conclusión, estas celdas se usan desde fuentes de energía de emergencia hasta en vehículos, sumando de que son baratas, no contaminan, pueden llegar a ser más eficientes que las máquinas que conocemos, entre otras cosas. La investigación y desarrollo en este tema crece con el tiempo en este mundo que cada vez demanda más energía. Referencias. Dicks, A.. (1998, noviembre). How do we fuel fuel cells?. Fuel Cells Bulletin, Vol. 1, pp. 7­9. 09/05/2016, De ScienceDirect Base de datos http://energy.gov/eere/fuelcells/fuel­cells http://www.bloomenergy.com/fuel­cell/solid­oxide­fuel­cell­animation/ http://americanhistory.si.edu/fuelcells/basics.htm

Acevedo, Navarro | Termoeléctricos | Mayo de 2016

Conductores termoeléctricos: una vista panorámica de las características estructurales y su funcionamiento.

Acevedo Mejía Andrea; Navarro Huerta Armando. Facultad de Química. Universidad Nacional Autónoma de México. Mayo de 2016. RESUMEN

Los materiales termoeléctricos son aquellos que tienen la propiedad de poder producir una corriente eléctrica ante la presencia de un gradiente de temperatura, o por el contrario, generan energía calorífica ante la aplicación de una corriente eléctrica externa. Estos tienen aplicaciones como refrigerantes o en la producción de energía eléctricas en zonas donde es difícil producirla, como son las sondas espaciales. El siguiente trabajo muestra una descripción de este tipo de materiales, así como sus propiedades y funcionamiento.

Para explicar el fenómeno que ocurre en un material

termoeléctrico se ilustra el siguiente ejemplo: Considera una barra metálica donde un extremo de la barra es mantenido a una temperatura mayor que el otro extremo. Si se considera que los electrones libres se comportan como un gas, los electrones en la zona caliente de la barra tendrán una energía cinética promedio mayor y se moverán a una rapidez promedio mayor que los electrones que están en la zona fría del metal, provocando que haya un flujo de electrones de la zona caliente a la zona fría de la barra, formando, como consecuencia, una acumulación de carga negativa en la zona fría. En un circuito cerrado la corriente fluirá para reducir la acumulación de carga y de esta manera continuar con el flujo de corriente mientras la temperatura de la barra metálica no sea uniforme.

El estudio de los materiales termoeléctricos, así como de la termoelectricidad se analiza con base en tres fenómenos principales.

1. Efecto Seebeck: Estudiado por Thomas Seebeck Johann, descubrió que una corriente eléctrica podría fluir en un circuito compuesto por dos metales distintos si las dos uniones se mantenían a distintas temperaturas. El campo eléctrico producido es proporcional al gradiente térmico, donde la constante de proporcionalidad se denota como termopotencial o coeficiente de Seebeck, S[V/K]:

𝐸𝐸 = 𝑆𝑆 𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥

Para un gradiente de temperatura dado, un valor grande en el coeficiente de Seebeck indica que se genera una magnitud de campo eléctrico grande, y por lo tanto una diferencia de potencial grande.

2. Efecto Peltier: Es el efecto contrario al efecto Seebeck, es decir, cuando circula una corriente eléctrica a través de un material semiconductor se genera una diferencia de temperaturas entre las dos caras del material. El coeficiente de Peltier está dado como:

𝛱𝛱 =𝑄𝑄𝐼𝐼

Donde Q es la energía calorífica emitida e I es la corriente eléctrica que pasa a través del material.

3. Efecto Thomson: Se basa en un análisis termodinámico de los dos efectos anteriores, el cual está fundamentado en la absorción o emisión de calor en un conductor homogéneo sujeto por un gradiente de temperatura mientras una corriente eléctrica pasa a través del material. Por medio de este efecto los efectos de Seebeck y Peltier se relacionan mediante la expresión:

𝛱𝛱 = 𝑆𝑆.𝛥𝛥 =𝑄𝑄𝐼𝐼

Considerando lo anterior, un conductor termoeléctrico eficiente debe cumplir con las siguientes características:

• Tener un gran coeficiente de Seebeck. • Estabilidad física y química a altas temperaturas. • Debe mantener una diferencia de temperatura entre

los extremos del material, por lo que el material necesita tener una baja conductividad térmica para que no llegue fácilmente al estado de equilibrio donde las temperaturas son iguales en ambos extremos.

Una manera de medir la eficiencia de un material termoeléctrico es por medio del potencial termoeléctrico, éste se cuantifica por su factor de mérito (del inglés “figure of merit”) establecido como

𝑍𝑍𝛥𝛥 =𝜎𝜎𝑆𝑆2

𝜅𝜅𝛥𝛥

Donde σ es la conductividad eléctrica, κ es la conductividad térmica y T es la temperatura absoluta a la que se realizan las mediciones. En conjunto, esta expresión representa un

Ilustración 1. Movimiento de electrones y zonas de potencial en un material termoeléctrico conforme a su temperatura.

Acevedo, Navarro | Termoeléctricos | Mayo de 2016

elemento esencial de eficiencia de un material termoeléctrico para aplicaciones donde se convierte calor a electricidad o corriente eléctrica a capacidad frigorífica. La

optimización de un material o compuestos para aplicaciones termoeléctricas principalmente implica la maximización del factor adimensional ZT que depende únicamente del material. Tanto el factor de Seebeck, la conductividad eléctrica y el factor de potencia son función de la concentración de los portadores de carga; una maximización en el factor de potencia se observa para concentraciones de aproximadamente 1018 – 1021 portadores/cm3, que corresponde a semiconductores con “band gap” pequeño o semimetales.

Para entender cómo ocurre el movimiento del calor dentro de un material, se considera que el calor (al igual que el sonido) es el movimiento o vibración de átomos o moléculas: frecuencias de baja vibración corresponden a sonido, mientras que frecuencias de alta vibración corresponden a calor. A cada frecuencia, la mecánica cuántica dicta que la energía vibracional debe ser un múltiplo de una cantidad base de energía, llamada cuanto, que es proporcional a la frecuencia. Los físicos llaman a esta cantidad basal de energía “fonones”. En la práctica, los materiales poseen fonones de muchas frecuencias distintas los cuales, al moverse, interactúan con los fonones de otras longitudes de onda, lo que crea caos en el movimiento del calor dentro del sólido. En materiales termoeléctricos, este “caos fonónico” crea impedimentos al libre movimiento de los electrones a través del material, lo que reduce la conductividad eléctrica y aumenta la conductividad térmica. Este efecto es muy deseable disminuir en la mayor medida posible.

Las propiedades termoeléctricas de un material se deben a los portadores de carga existentes en estos, los cuales pueden ser:

• Electrones: Los semiconductores en donde los electrones libres son los principales portadores en el material se denotan como semiconductores tipo-n.

• Huecos electrónicos: son estados electrónicos vacantes en la banda de valencia del semiconductor, éstos tienen la misma magnitud de carga que un electrón, pero su carga es positiva. Los semiconductores en las cuales los huecos son los portadores mayoritarios son denotados como tipo-p.

Los mejores conductores termoeléctricos son aquellos materiales aleados (mezcla de elementos químicos donde por lo menos uno es un metal) con una alta concentración de portadores en forma de impurezas: la alta concentración de portadores favorece una efectiva conductividad eléctrica, así como la aleación interrumpe el transporte de fonones, disminuyendo la conductividad térmica como consecuencia.

La conductividad térmica de la red puede reducirse mediante el uso de elementos pesados como el Bi, Te y Pb. Cabe considerar que una estructura cristalina compleja provocará una disminución en la cantidad de fonones acústicos, que son los responsables de la transferencia de calor en el material.

Uno de los mejores conductores termoeléctricos existentes es el telururo de bismuto, Bi2Te3, el cual es extensamente usado en la construcción de módulos termoeléctricos. Este material es caracterizado por espectroscopía de rayos X de energía dispersiva (EDX). Una mejor conductividad eléctrica es lograda en tanto un coeficiente ZT es mayor; en el caso de el telururo de bismuto, per se, se tienen coeficientes de aproximadamente 0.5 a 0.7, para mejorar este valor hasta valores de 0.9 unidades se dopa el telururo de bismuto con telururo de antimonio, esto confiere al material una estructura policristalina. Este material posee una importancia central en el campo de termoeléctricos debido a que es uno de los pocos termoeléctricos conocidos de alto desempeño que tienen buena conducción eléctrica a temperaturas menores de 550 K. Síntesis de materiales termoeléctricos Existen dos tipos principales de síntesis, los cuales son descritos en brevedad:

1) Prensado en caliente y sinterización. Los reactivos se comprimen y se recoce a altas temperaturas hasta que se haya formado la fase deseada. Dentro del proceso ocurren fenómenos de difusión, recristalización, y crecimiento del cristal.

2) Crecimiento de cristales a partir de una mezcla fundida. En este se funden los reactivos y mediante enfriamiento se obtiene la fase deseada, produciendo muestras policristalinas con orientación aleatoria, con una orientación cristalina específica o monocristales.

Cabe notar que es importante utilizar una atmósfera inerte en la reacción, evitando de esta manera la reacción de los reactivos con elementos como el oxígeno. En la actualidad se realizan investigaciones sobre termoeléctricos más eficientes, debido a que pueden ser utilizados como fuentes de producción de energía eléctrica sostenible. Referencias

• Edmund J. Winder and Arthur B. Ellis y George C. Lisensky, Thermoelectric Devices: Solid-State Refrigerators and Electrical Generators in the classroom”. Journal of Chemical Education • Vol. 73 No. 10 de Octubre de 1996.

• Dr. Paul E. Snyder, Chemistry of thermoelectric, Westinghouse Electric Corp, Pittsburgh, Pa., Chemical & Engineering News, 13 de Marzo de 1961.

• C. Godart, A. P. Gonc¸alves, E. B. Lopes, and B. Villeroy; “Role of Structures on Thermal Conductivity in Thermoelectric Materials”. Sacavém, Portugal. Springer Science+Business Media B.V. 2009

• Chandler, David L.; “Explained: Phonons. When trying to control the way heat moves through solids, it is often useful to think of it as a flow of particles.”; MIT News Office, MIT. July 8, 2010. Consultado el 8 de mayo del 2016 en http://news.mit.edu/2010/explained-phonons-0706.

• L.M.Goncalves, C.Couto, P.Alpuim, D.M.Rowe, J.H.Correia; “Thermoelectric Properties of Bi2Te3 / Sb2Te3 Thin Films”. Trans Tech Publications, Switzerland, Materials Science Fórum Vols. 514-516 (May 2006) pp. 156-160.

García Sánchez Adrián Gómez Romero Jorge

Cristales líquidos

El primero en observar un cristal líquido fue el botánico austriaco Friedrich Reinitzer en 1888,

cuando vio que el benzoato de colesterilo (una sustancia sólida derivada del colesterol) formaba un

líquido turbio cuando lo calentaba hasta su temperatura de fusión. Al seguir calentando, la turbidez

persistía hasta que a cierta temperatura el líquido se volvía trasparente. Poco tiempo después se

descubrieron otras sustancias que presentaban el mismo comportamiento y finalmente se ha

demostrado que se trata de un nuevo estado de la materia, intermedio entre el sólido y el líquido.

Precisamente en esta característica tan especial radica su interés: Reúne ciertas características de

los sólidos cristalinos, presentando diferentes propiedades en diferentes direcciones, junto con

ciertas propiedades de los líquidos como la movilidad y la fluidez. Es decir que, hay fluidez, sin

embargo, las moléculas están ordenadas siguiendo una orientación espacial común. Por este

motivo, en 1889 el físico alemán Otto Lehmann los llamó “Cristales Líquidos” nombre con el que se

les sigue conociendo en la actualidad.

Cristales líquidos en la naturaleza

Los cristales líquidos no son productos exclusivos de nuestra tecnología. Como en otros ámbitos de

la ciencia, la naturaleza es la primera escuela donde podemos aprender sobre estos compuestos tan

singulares. En muchos sistemas biológicos existen organizadores de tipo cristal líquido. Uno de los

ejemplos mejor conocidos son los llamados fosfolípidos, el principal componente de las membranas

celulares.

Otro ejemplo lo constituyen las fibras de mielina, una lipoproteína que se encuentra recubriendo

el axón de las neuronas. En este mismo contexto, podemos también citar los cristales líquidos

formados por algunos productos como, compuestos orgánicos de la serie aromática, los

carbohidratos, los polipéptidos y los ácidos nucleicos.

Como es un cristal líquido.

Una manera de definirlo es como un sólido cristalino, las moléculas ocupan posiciones fijas y están

orientadas de manera específica una respecto a las otras. Esto hace que algunas de sus propiedades

cambien en función de la dirección que se considere: es lo que se llama anisotropía (por ejemplo,

un cristal de mica podemos exfoliarlo con facilidad en la dirección de las láminas que le constituyen

pero no en la dirección perpendicular). Los cristales líquidos conjugan la facilidad de movimiento de

los líquidos con la anisotropía de los sólidos. Todos ellos lo hacen únicos para determinados fines.

Esta anisotropía es la responsable de las texturas características que se observan en capas delgadas

de un cristal líquido a través de un microscopio óptico se pueden observar.

Son compuestos formados, en general, por moléculas con dimensiones anisótropas. Hay cristales

líquidos formados por moléculas con forma de varilla (cristales líquidos calamíticos). Otros lo están

por moléculas con forma de disco (cristales líquidos discóticos o columnales). Estos dos son los tipos

principales de moléculas que dan lugar a la aparición del estado cristal líquido por efecto de la

temperatura (cristales líquidos termótropos). Existen otros tipos de cristales líquidos, los cristales

líquidos liótropos que aparecen con la presencia de algún disolvente, la estructura mas típica de las

moléculas que los forma consiste en una parte hidrófoba y otra hidrofílica dentro de la misma

molécula, el disolvente puede ser agua u otro disolvente menos polar que induce la formación

micelas, que a su vez se ordenan en el estado cristal- liquido.

Aplicaciones de los cristales líquidos.

Los cristales líquidos, en función de sus propiedades, pueden utilizarse para diferentes fines. Por

ejemplo, aquellos que reflejan luz de diferente color según sea la temperatura en termómetros o

de detectores de tumores o fisuras de superficies mecánicas. Por sus propiedades electrópticas se

usan como base de pantallas de TV, monitores de ordenador, protectores de videos, cabezales de

impresoras, pantallas de calculadoras, relojes o juegos electrónicos. Como válvulas de luz, que son

capaces de aceptar una imagen de baja intensidad luminosa y convertirla en otra de salida más

intensa. Finalmente, los cristales líquidos liótrpos son de gran importancia en la actualidad en la

industria de detergentes y cosméticos.

Dispositivos ópticos

Uno de los principales motivos de interés industrial por los cristales líquidos ha sido su uso en el

diseño de dispositivos que combinan la fluidez con la anisotropía óptica y dieléctrica de estos

materiales, los denominados “displays”.

En un reloj, una calculadora o juegos eléctricos, la luz ambiental que llega a la superficie del “display”

pasa a través de los diferentes componentes del dispositivo, que se colocan en una estructura de

tipo sándwich. Pero esta luz será reflejada de nuevo si la orientación de las moléculas de la capa del

cristal líquido que hay en el centro del “display” es la adecuada. Dicha orientación puede controlarse

localmente mediante la conexión o desconexión de un circuito eléctrico establecido con el pequeño

voltaje de una pila. El resultado es que en la pantalla aparecen zonas de brillo o de color

diferenciadas, de tal forma que vemos un número, una letra o una figura determinada. Una de las

ventajas fundamentales es que pueden cambiar en cuestión de milisegundos o microsegundos.

Aplicaciones biológicas

Las membranas celulares están formadas por cristales líquidos. Están organizaciones biológicas

pueden tener aplicaciones en otros campos. Por ejemplos, los liposomas son esferas huecas con

estructura cristal líquido formada por fosfolípidos u otros derivados lipídicos. En el interior de estas

esferas es posible almacenar principios activos que se pueden ir liberando poco a poco. La cosmética

es uno de los campos donde se utilizan estos compuestos.

Bibliografía: Química, A Garritz, J.A. Chamizo. Universidad Nacional Autónoma de México. Ed. Pearson. http://www.unizar.es/icma/divulgacion/cristalesliq.html Cristales Líquidos. Instituto de Ciencias de Materiales de Aragón.

Celdas Solares Hernández Camacho Julio cesar y Damián González Jonathan Alexander

Definición

Una celda solar es un dispositivo estático capaz de transformar la energía proveniente de la radiación solar en

energía eléctrica. Esto mediante un efecto fotovoltaico, en donde un material absorbe los fotones de la luz solar

y libera electrones; generando una corriente eléctrica.

Fundamento teórico

La conversión de la energía solar en energía eléctrica, depende

del efecto fotoeléctrico. Una celda solar consiste de una

barrera potencial de energía en un material semiconductor que

es capaz de separar los electrones-huecos generados por la

absorción de la luz en el semiconductor. Las barreras de

energía más comunes son: Uniones entre el mismo material

semiconductor, unión entre dos materiales semiconductores diferentes y uniones entre metal-semiconductor.

Para separar las cargas eléctricas, las celdas deben tener un campo eléctrico

interno, para esto se necesita que cuando se absorba la radiación en la

celda los electrones que se liberan por el efecto fotoeléctrico deben ser

separados y dirigidos hacia un circuito eléctrico interno para así producir

electricidad. Para esto se utilizan dos materiales semiconductores tipo N (o

negativo) que tiene un exceso de electrones y tipo P (o positivo) que tiene

un exceso de huecos. Al unir estos materiales de crea una interface P/N que

propicia a su vez el campo eléctrico interno.

Cuando los materiales N y P se

ponen en contacto el exceso

de electrones se mueve del

lado de la capa N a la capa P,

creando una carga positiva a lo largo de la capa N de la interface y

una carga negativa a lo largo de la capa P. Debido al flujo de

electrones-huecos los dos semiconductores se comportan como

una batería creando un campo eléctrico en la superficie que se

conoce como unión P/N. El campo eléctrico causa que los

electrones se muevan del semiconductor hacia la superficie

negativa haciéndolos estar disponibles para el circuito eléctrico, al

mismo tiempo los huecos se mueven en la dirección contraria, es decir hacia la superficie positiva donde

pueden esperar nuevos electrones.

Características Químicas (Fabricación)

El silicio es el material más común en las celdas fotovoltaicas; se obtiene a partir

de elementos como arena o cuarzo, este se purifica hasta llegar al grado de

semiconductor (99.9999%) mediante destilación fraccionada. Una vez purificado

el silicio, este se funde a 1400, se introduce una “semilla” de Silicio

monocristalino (extraída del silicio fundido), y es retirada lentamente haciendo

crecer un lingote cilíndrico de material silicio, la calidad del silicio es

proporcional al tiempo de formación del cilindro, de tal manera que se puede

obtener tres tipos de cilindros:

Silicio monocristalino: estructura cristalina uniforme.

Silicio policristalino: estructuras ubicadas arbitrariamente. Estos “granos” hacen que la estructura no sea

uniforme y se obtenga una eficiencia menor.

Silicio amorfo: presenta niveles de eficiencias aun más bajos.

Una vez obtenido el cilindro de Silicio, se procede a cortarlo en finas

láminas llamadas obleas o wafers con espesor aproximado de 200μm.

Posteriormente las obleas son dopadas con átomos de Fósforo en un

horno a temperaturas entre 800ºC y 900ºC para obtener la capa N. El

substrato tipo P se logra, antes de obtener los lingotes, dopando el Silicio

con átomos de Boro.

Posteriormente, las obleas son metalizadas, un proceso que consiste en la colocación de unas cintas de metal

incrustadas en la superficie conectadas a contactos eléctricos que son las que absorben la energía eléctrica que

generan las uniones P/N a causa de la irradiación solar. Después del metalizado, las obleas son tipo P son

texturizadas dotándoles de una estructura piramidal, que aumenta la absorción de la luz incidente, gracias a

reflexión múltiple de ésta

Características estructurales

Las celdas solares se unen para formar sistemas fotovoltaicos o sistemas solares

eléctricos que a su vez está formado por múltiples celdas solares. Las celdas solares

se unen en forma de módulos que a su vez se pueden combinar y conectar para

formar arreglos de celdas solares de diferentes tamaños y salidas de potencia.

Los módulos del arreglo de las celdas conforman la mayor parte del sistema

fotovoltaico que también puede incluir conexiones eléctricas, montaje de hardware,

equipo de condicionamiento de potencia y baterías que almacenan la energía solar

para cuando no se está obteniendo radiación solar.

Bibliografia

Fahrenbruch, A. (1983). Fundamentals of solar cells. Photovoltaic Solar Energy Conversion. Academic

Press. New York. University of Colorado Colorado Springs. Photovoltaics Recuperado el 8 de mayo 2016

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C. A. José María, G. M. Alicia, L. A. Lorena, M. S. Miguel y S. G. José Manuel. Placas Solares. Universidad

Autonoma de México. Recuperado el 8 de mayo 2016 de:

https://www.uam.es/departamentos/ciencias/.../Celdas%20solares.ppt

Q. Xu y T. Kobayashi. Advanced Materials for Clean Energy. CRC Press, London New York (2015). Chapter

5: Piezoelectric Materials for Energy Harvesting.