Clasificacion de los materiales inteligentes

Un material inteligente es aquel que posee una o más propiedades que pueden ser modificadas significativamente de manera controlada por un estímulo externo (tales como tensión mecánica, temperatura, humedad, pH o campos eléctricos o magnéticos) de manera reversible.

Hay varios tipos de materiales inteligentes, por ejemplo:

  • Materiales piezoeléctricos: Producen un voltaje cuando se les aplica tensión mecánica. Este afecto también se produce de manera inversa, produciendo una tensión mecánica cuando se le aplica tensión eléctrica.

Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que no poseen centro de simetría. El efecto de una compresión o de un cizallamiento consiste en disociar los centros de gravedad de las cargas positivas y de las cargas negativas. Aparecen de este modo dipolos elementales en la masa y, por influencia, cargas de signo opuesto en las superficies enfrentadas.

Pueden distinguirse dos grupos de materiales: los que poseen carácter piezoeléctrico de forma natural (cuarzo, turmalina) y los llamados ferroeléctricos, que presentan propiedades piezoeléctricas tras ser sometidos a una polarización (tantalio de litio, nitrato de litio, berlinita en forma de materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares bajo forma de microcristales orientados).

Historia de los materiales piezoeléctricos

La propiedad de la piezoelectricidad fue observada por primera vez por Pierre y Jacques Curie en 1881 estudiando la compresión del cuarzo. Al someterlo a la acción mecánica de la compresión, las cargas de la materia se separan y esto da lugar a una polarización de la carga. Esta polarización es la causante de que salten las chispas.

Para que la materia presente la propiedad de la piezoelectricidad debe cristalizar en sistemas que no tengan centro de simetría (que posean disimetría) y por lo tanto que tengan un eje polar. De las 32 clases cristalinas, 21 no tienen centro de simetría. Todas estas clases menos una tienen la propiedad piezoeléctrica en mayor o menor medida. Los gases, los líquidos y los sólidos con simetría no poseen piezoelectricidad.

Si se ejerce una presión en los extremos del eje polar, se produce polarización: un flujo de electrones va hacia un extremo y produce en él una carga negativa, mientras que en el extremo opuesto se induce una carga positiva.

La primera aplicación práctica de la piezoelectricidad, que surge de la cualidad de transformar una señal mecánica (la presión) en una señal eléctrica (corriente eléctrica ), es la del sónar.

Al final de la Primera guerra mundial se descubrió que las ondas sonoras producidas por los submarinos podían ser detectadas por un trozo de cuarzo sumergido en el agua, en el que se medían las corrientes generadas pudiéndose detectar de qué dirección venía el sonido.

Aplicaciones

Una de las aplicaciones más extendidas de este tipo de cristales son los encendedores electrónicos. En su interior llevan un cristal piezoeléctrico que es golpeado de forma brusca por el mecanismo de encendido. Este golpe seco provoca una elevada concentración de carga eléctrica, capaz de crear un arco voltaico o chispa que encenderá el mechero.

Otra de las importantes aplicaciones de un cristal piezoeléctrico es su utilización como sensor de vibración. Cada una de las variaciones de presión producidas por la vibración provoca un pulso de corriente proporcional a la fuerza ejercida. Se ha convertido de una forma fácil una vibración mecánica en una señal eléctrica lista para amplificar. Basta con conectar un cable eléctrico a cada una de las caras del cristal y enviar esta señal hacia un amplificador. Por ejemplo, en pastillas piezoeléctricas de guitarra.

 

 

  • Materiales con efecto térmico de memoria: Tienen la capacidad de cambiar su forma o deformarse de forma controlada al alcanzar cierta temperatura.

El efecto unidireccional de memoria térmicamente inducido es un efecto clasificado dentro de los nuevos materiales llamados inteligentes. Los polímeros con efecto térmico de memoria son materiales nuevos, cuyas aplicaciones recientemente están siendo estudiadas en los diferentes campos de la ciencia (por ejemplo, en medicina), en comunicaciones y entretenimiento.

Actualmente existen sistemas reportados y comercialmente utilizados. Sin embargo, la posibilidad de programar otros polímeros está presente, debido a la cantidad de copolímeros que se pueden diseñar: las posibilidades son casi infinitas.

Los polímeros con efecto térmico de memoria son aquellos polímeros que responden a estímulos externos y debido a esto tienen la capacidad de cambiar su forma. El efecto de memoria térmicamente inducido resulta de la combinación de un procesamiento adecuado y la programación del sistema.

Funcionamiento

Primero debe tenerse en cuenta que el primer mecanismo inelástico de estos polímeros es la movilidad de las cadenas y el rearreglo conformacional de los grupos. Después ha de distinguirse el efecto en polímeros semicristalinos y amorfos. En ambos casos han de crearse puntos de anclaje que actúen como "disparador" del efecto. En el caso de polímeros amorfos, éstos serán los nudos o "enredos" de las cadenas y en los semi-cristalinos serán los cristales mismos quienes formen estos puntos de anclaje.

Al modificar la forma del material pasando un mínimo estrés crítico, las cadenas se deslizan y se crea una estructura metaestable, que incrementa la organización y el orden de las cadenas (menor entropía), cuando la carga de deformación es eliminada, los puntos de anclaje proporcionan un mecanismo de almacenamiento para los estreses macroscópicos en forma de pequeños estreses localizados y en el decremento de la entropía.

 

  • Polímeros sensitivos al pH: Varían su tamaño en respuesta a cambios en el pH del medio que los rodea.
Los polímeros sensibles a estímulos son sistemas poliméricos que modifican sus propiedades en respuesta a pequeños cambios en su entorno. Los más importantes desde un punto de vista biomédico son aquellos sensibles a la temperatura y/o al pH. Los sensibles a la temperatura, como los derivados de N-isopropilacrilamida-NIPAM, se caracterizan por presentar un particular balance hidrofílico-hidrofóbico en su estructura. Pequeños cambios cercanos a la temperatura crítica provocan el colapso o expansión de las cadenas macromoleculares en respuesta a reajustes de las interacciones hidrofílicas e hidrofóbicas en medios acuosos. Por su parte los sensibles al pH se caracterizan por tener grupos ionizables en su estructura -tanto ácidos como básicos de carácter débil-, que en el proceso de ionización pasan de sistemas ovillados a cadenas extendidas como respuesta a las repulsiones generadas por las cargas, aniones o cationes.
 
 
• Materiales fotoactivos:
 
 Son los que están en condiciones de responder de forma diferenciada a los estímulos lumínicos (luz solar o artificial). Estos materiales se dividen en: fotoluminiscentes, emiten luz al ser expuestos a determinados estímulos (fluorescentes, fosforescentes y electroluminiscentes); cromoactivos, cambian de color frente a un estímulo externo como luz solar, presión, rayos X, temperatura, etc. (fotocrómicos, termocrómicos y electrocrómicos).
 

 
 

Los nanomateriales:

Estos materiales poseen cualidades que pueden ser cambiadas a voluntad y que tienen diversas aplicaciones, principalmente en el campo de la industria y la arquitectura. Como ejemplo podemos citar las fibras inteligentes para la confección de ropa, los materiales constructivos ultra ligeros y más resistentes.

Pero la principal aplicación de los nanomateriales está en la experimentación con materiales equipados con controles y sensores que les permitan comportarse de manera similar a los sistemas biológicos. Dichos materiales serían capaces de autorrepararse, adaptarse a condiciones ambientales, entre otras características.

 

 

 

 
 
 
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