UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE QUÍMICA DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA TEÓRICA

Blancas Huerta Mitzi Marian, Contreras Ordaz Maximiliano

Ferroeléctricos

Características

El momento dipolo eléctrico permanente que poseen todos los materiales piroeléctricos puede, en ciertos casos, reorientarse mediante la aplicación de un campo eléctrico. Dichos cristales se llaman ferroeléctricos, un término utilizado por analogía con ferromagnetismo.

Los cristales únicos ferroeléctricos crecen en ausencia de un campo eléctrico y se hermanan inevitablemente eléctricamente, con un volumen de dominio que contiene una dirección de polarización espontánea dada aproximadamente igual a la que contiene la dirección antiparalela. Las cerámicas tienen estructuras de dominio similares superpuestas al trastorno de orientación más general asociado con los materiales policristalinos. Exposición a un campo eléctrico en virtud de la polarización espontánea. Un momento dipolar neto normalmente no es detectable en tales materiales, debido a que los cambios en la superficie son neutralizados rápidamente por las partículas cargadas al ambiente. Las propiedades ópticas no lineales de los materiales no centrales simétricos generalmente se mejoran si también son ferroeléctricas.

La ferroelectricidad fue descubierta en 1921 por J. Valasek durante una investigación de las propiedades dieléctricas anómalas de la sal de Rochelle, NaKC4H4O6∙4H2O. Un segundo material ferroeléctrico, KH2PO4, no se encontró hasta 1935 y fue seguido por algunos de sus isomorfos. La tercera sustancia principal, BaTiO3, fue reportada por A. Von Hippel en 1944. Desde entonces, este pequeño grupo ha sido unido por más de cien materiales puros y muchos más sistemas de cristales mixtos.

Materiales Ferroeléctricos Representativos

Algunos materiales ferroeléctricos. El dihidrógeno fosfato de potasio (KDP) se transforma de la fase ferroeléctrica ortorrómbica (grupo espacial Fdd2) a la fase 142d tetragonal no polar pero piezoeléctrica a 123 K (-150 ° C). El sulfato de guanidina y aluminio (GASH) es trigonal (P31m) y se descompone a aproximadamente 473 K (200 ° C) sin sufrir una transición. La sal de Rochelle tiene dos temperaturas Curie, que se transforman de

P21212 ortorrómbico no polar pero piezoeléctrica a 255 ° K (-18 ° C) a P21 monoclínica ferroeléctrica, volviendo a 297 K (24 ° C) a P21212 ortorrómbico, pero con una estructura diferente. El titanato de bario tiene tres fases ferroeléctricas y tres temperaturas de Curie: R3m romboédrico por debajo de 183 K (-90 ° C), Amm2 ortorrómbico entre 183 K y 278 K (5 ° C) y P4mm tetragonal entre 278 ° K y 393 K (120 ° C); también hay dos formas no polares a temperaturas más altas, a saber, Pm3m cúbicos por debajo de 1733 K (1460 ° C) y P63/mmc hexagonal por encima de 1733 ° K. La niobita sódica se transforma de R3c trigonal ferroeléctrica a Pbma ortorrómbico antiferroeléctrica a 627 K (354 ° C) y a cuatro fases adicionales no polares a temperaturas más altas.

Arreglo atómico

La disposición de los átomos en todos los cristales ferroeléctricos es tal que pequeños desplazamientos, generalmente de menos de 0,1 nm, dan como resultado un estado igualmente estable, pero con una reorientación de Ps. La disposición de la posición media corresponde a una estructura de simetría superior conocida como prototipo. El prototipo es necesariamente paraeléctrico, ya que los dipolos en este estado son más o menos todos o exactamente cancelados. Un ejemplo simple es BaTiO3 para el cual el prototipo es cúbico, con átomos de bario en las esquinas, un átomo de titanio en el centro del cuerpo y un átomo de oxígeno en cada centro de la cara de la célula única. Debajo de una temperatura de Curie de 393 K (120 ° C), la simetría se transforma en tetragonal a medida que el átomo de titanio se desplaza en el sentido opuesto en aproximadamente 0,008 nm, como se refiere a la posición del átomo de bario. Los desplazamientos resultantes dan lugar a la polarización espontánea. Un campo eléctrico aplicado a lo largo del eje c que desplaza el titanio en aproximadamente 0.01 nm y el oxígeno en aproximadamente 0.016 nm invierte el sentido de este eje y también el de Ps.

Usos

Existen usos relacionados con la propiedad de conmutación (es decir, la inversión de polarización) de los materiales ferroeléctricos, así como los usos no conmutadores, que en su mayoría emplean los valores altos cerca de Tc de la constante dieléctrica y otras propiedades. Los materiales ferroeléctricos también son necesariamente piroeléctricos y piezoeléctricos, cuyos coeficientes a menudo son excepcionalmente grandes para temperaturas cercanas a Tc, por lo que tienen usos adicionales basados específicamente en estas propiedades.

Los dispositivos ferroeléctricos conmutados se emplean en memorias direccionadas por matriz, registros de cambios e interruptores conocidos como transchargers o transpolarizadores. Los dispositivos combinados basados simultáneamente en propiedades ferroeléctricas y piezoeléctricas conmutadas incluyen memorias, osciladores y filtros, mientras que el uso análogo de las propiedades electroópticas produce interruptores de luz, pantallas y memorias. Una variedad de dispositivos de visualización hace uso de circuitos que contienen componentes ferroeléctricos y electroluminiscentes en los que la luz se puede almacenar y emitir de manera controlada; esto también es posible mediante el uso de fotoconductores y componentes

ferroeléctricos, que también permiten la visualización directa de rayos X a conversión de luz. Los materiales ferroeléctricos conmutados que tienen propiedades semiconductoras conducen a dispositivos de efecto de campo y resistencias y transistores adaptativos. Tandel, los elementos dieléctricos no lineales autoestabilizadores de temperatura, se utiliza en termostatos en miniatura, multiplicadores de frecuencia y una variedad de transductores y dispositivos no lineales.

El efecto electroóptico lineal o cuadrático en ferroeléctrico se emplea en deflectores de luz, moduladores y pantallas, y en la mezcla no lineal y la oscilación paramétrica óptica. El efecto fotorrefratante también se utiliza para proporcionar almacenamiento holográfico permanente u borrable ópticamente; Incluso es posible proporcionar un borrado selectivo en el almacenamiento holográfico múltiple.

Bibliografía

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Superconductividad. Nuñez Alba Itzel y Pelaez Trejo Doris Paola. Facultad de Química. UNAM. Abstract: Se abordará la superconductividad, su descubrimiento y el proceso por el cual se fue desarrollando hasta llegar a lo que se conoce actualmente, conoceremos sus características representativas, así como las diversas aplicaciones que esta propiedad tiene, como ser parte de dispositivos eléctricos, hasta hacer que un tren vaya a 450 km/h, así como también en el campo de la medicina y en poderosos motores nucleares de resonancia magnética.

Introducción. Durante 74 años la superconductividad pudo ser establecida sólo a temperaturas más frías que 23 K. Sin embargo; en 1986 los físicos Alex Muller y George Bednorz del IBM de Zurich Research Center encontraron un material cerámico, el óxido de lantano, bario y cobre, que mostró superconductividad a 30 K. En un unos cuantos meses los profesores Paul Chu de la Universidad de Houston y Man Kven Wu de la universidad de Alabama, elevaron

la temperatura a 95 K usando un superconductor de óxido de itrio, bario y cobre. La mayor repercusión de tal descubrimiento fue el nitrógeno líquido (punto de ebullición 77 K) podía utilizarse para llevar el material a la temperatura requerida en lugar del helio líquido que ebullía a 4 K. La superconductividad ha sido observada en un gran número de materiales; aparece al enfriar a temperaturas cercanas al cero absoluto, donde la resistividad eléctrica desaparece. El estado superconductor cesa si la temperatura, el campo magnético o bien la densidad de corriente exceden el valor crítico. Existen dos tipos de superconductores: Superconductores del tipo I, la exclusión del campo magnético es completa por

debajo de un campo crítico, mientras que la penetración del campo es completa cuando se excede el campo crítico. Superconductores del tipo II. En este caso la penetración es gradual a medida que aumenta el campo magnético.

Teoría BCS de la superconductividad. Los físicos Bardeen, Cooper y Schrieffer (BCS), encontraron que si un electrón se mueve por la red, atrae a los núcleos iónicos positivos, de manera que la región por la que circule el electrón tendrá una densidad de carga positiva mayor. En el estado superconductivo existe un apareamiento o enlace de electrones, detonado por el efecto Cooper, en el que los electrones viajan entre sí para mantener una velocidad considerablemente elevada a través del medio conductor.

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Características Representativas. Perfecto diamagnetismo; el efecto Meissner. Los materiales superconductores presentan un "diamagnetismo perfecto" y expulsan un campo magnético, siempre que el campo está por debajo de la intensidad de campo crítico. Esto se demuestra por el efecto Meissner, descubierto por Meissner y Ochsenfeld en 1933. Muestra que los campos magnéticos externos son expulsados del interior de un superconductor. La expulsión del campo magnético se debe a la formación de corrientes superficiales en el superconductor que crean un campo magnético igual y opuesto al del imán.

Temperatura crìtica , campo crítico T c Hc y corriente crítica . J c La superconductividad en un material se pierde en el calentamiento por encima de cierta temperatura crítica Por TC. aumentar la fuerza de un campo magnético aplicado más allá de un campo crítico y por aumentar la corrienteHc eléctrica que pasa a través de él más allá de la densidad de corriente crítica .J c El valor de es de importancia crítica T c para las aplicaciones que dependen de la propiedad de resistencia cero. La propiedad de resistencia cero. Los superconductores tienen varios rasgos característicos, uno de ellos es la resistencia cero al flujo de electricidad. Por debajo de los 90K en el estado superconductor, la resistencia es cero, por

encima de los 92K, el material es metálico y la resistencia aumenta gradualmente con el aumento de la temperatura. Materiales representativos. Algunos materiales superconductores son: Metales: • Hg, •Pb, KT c = 4 .2 KT c = 7 •Nb, • V, .5 KT c = 9 .4 KT c = 5 Aleaciones: • •Ge,Nb3 3.2 KT c = 2 Sn, T 8 KNb3 c = 1 • •Nb Al, T 7.5 K3 c = 1 Si, T 7 KV 3 c = 1 • •Ga, T 6.5 KV 3 c = 1 NbB, T 6 K c = 1 Cupratos:

Sr Cu , T 0 K•La1.85 0.15 4 c = 4 1.5 KCuO , T •Sr2 4 c =

•Y Ba CuO , T 3 K2 4 c = 9 • Ca Cu O , T 38 KHgBa2 2 3 10 c = 1 • Ba CuO , T KT l2 2 6 c = 8 • Ba CaCu O , T 05 KT l2 2 2 8 c = 1 Orgànicos. • Cu(NCS ), T 1.4 K(ET )2 2 c = 1 Aplicaciones. La principal aplicación comercial de los superconductores es en los superconductores de imanes magnéticos. Imágenes de resonancia , espectrómetros de RMN, así como componentes de circuitos eléctricos e interconexiones en dispositivos microelectrónicos. También presentan aplicaciones médicas en magnetocardiografía (anomalías cardiacas) y magnetoencelografía (anomalías en el cerebro humano). De igual manera los imanes superconductores son vitales para la construcción de anillos de almacenamiento de sincrotrón y aceleradores de partículas.

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Referencias. •Introducciòn al análisis de circuitos. Boylestad, Robert L. México 2004. pp. 71-73. •West R, Anthony. Solid State Chemistry and its applications. 2da edición. Ed. Wiley. UK, 2014. pp. 366-382. •Askeland Donald. Ciencia e ingeniería de materiales. 6ta edición. Ed. Cengage Learning. México, 2012. pp. 720-723.

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URZUA DANIELA, OLVERA MARISOL 1

LÁSERES. CONCEPTOS Y APLICACIONES.

¿Qué es un láser? La palabra láser es un acrónimo que significa Light Amplified by Stimulated Emission of Radiation (luz amplificada por emisión estimulada de radiación). Un láser es básicamente una fuente de luz. Lo que diferencia a un láser de otras fuentes de luz, como las bombillas, es el mecanismo físico por el que se produce la emisión de luz, que se basa en la emisión estimulada, en contra de la emisión espontánea que es la responsable de la mayor parte de la luz que vemos. Este particular mecanismo de emisión confiere a la luz unas propiedades muy interesantes, como son la alta potencia (y su capacidad para ser amplificada), la direccionalidad (emisión en forma de "rayos"), la frecuencia de emisión bien definida (color de la luz), la capacidad de emitirse en pulsos de muy corta duración, y una propiedad llamada coherencia que significa que las onda electromagnéticas que forma el haz de luz marchan "al paso".

¿Cómo funciona un láser? Cualquier láser contiene al menos tres elementos fundamentales: un medio activo, un sistema de bombeo y una cavidad resonante. El medio activo es el material (sólido, líquido o gaseoso) que emite la luz. Para que emita luz el medio activo hay que excitarlo de alguna manera. El sistema de bombeo puede consistir en otro láser, una lámpara convencional, o una corriente o descarga eléctrica, dependiendo del tipo de láser. El medio activo se coloca entre dos espejos

que forman una cavidad resonante, esto es, la luz rebota entre los dos espejos y ayuda a la amplificación. Uno de los espejos es semi-reflectante por lo que parte de la luz amplificada sale de la cavidad resonante en forma de haz. El secreto del láser está en el medio activo que, debidamente bombeado, debe posibilitar la inversión de población y la emisión estimulada. Además de estos componentes básicos un láser

puede tener otros dispositivos intracavidad para modificar o controlar las características de la luz emitida (longitud de onda, pulsación, etc.), o elementos externos a la cavidad para amplificar la luz (a través de otro medio activo con su correspondiente bombeo) o modificar la duración de pulso, tasa de repetición, longitud de onda, polarización, etc.

Principios y aplicaciones (a nivel industrial). Cada láser posee características que lo

hacen idóneo para su uso en diferentes áreas, desde iluminación para espectáculos hasta de uso médico. Existen muchísimos tipos de láseres diferentes. Estos se pueden clasificar por su longitud de onda de emisión, desde las microondas hasta los rayos X; por su potencia, desde mili vatios hasta peta vatios; por su régimen de emisión, pulsados o continuos; o por las características de su medio activo, sólidos, líquidos o gaseosos; y cada uno de estos tipos tiene unas utilidades muy diversas. La tabla siguiente resume las características de algunos de los tipos de láser más importantes.

Ilustración 1. Elementos básicos de un láser (láser de rubí).

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LÁSERES. CONCEPTOS Y APLICACIONES.

Tabla 1. Tipos de láser y sus usos.

En el año 1961 se realizó la primera intervención quirúrgica con el empleo de láser, donde se extirpó un tumor pequeño de la retina del paciente el cual impedía la visión. Un ejemplo de láser y su aplicación en medicina es el láser de Nd: YAG está compuesto por un granate de itrio y aluminio, contaminado por neodimio. Emite a una longitud de onda de 1064 nm, en el infrarrojo cercano. Este láser puede transmitirse a través de fibra óptica, lo cual permite una fácil aplicación de este tipo de energía en espacios anatómicos bucodentarios de difícil acceso, además del potente efecto bactericida que produce esta longitud de onda, lo convierten en una herramienta ideal en los tratamientos endodóncicos y periodontales, en los que puede mejorar los resultados obtenidos con las técnicas convencionales.

Otro ejemplo es el láser de rubí: sirve como fotocoagulador oftalmológico en el tratamiento del desprendimiento de retina, auxiliar en tratamientos dermatológicos, y tumores cancerosos Este tipo de láser se puede emplear en algunas topografías y telemetrías, por ejemplo, se empleó en la medición de la distancia de la luna a Texas. Se emplea en microperforación y fabricación de piezas muy pequeñas, en avances científicos se busca crear pequeños reactores de fusión mediante intensos pulsos láser.

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LÁSERES. CONCEPTOS Y APLICACIONES.

Láser de arseniuro de Galio: El Arseniuro de Galio es un cristal con propiedades semiconductoras, un láser de este tipo funciona de forma pulsátil a temperatura ambiente. consigue potencias medias de algunos mW con una emisión de 904,6 nm de longitud de onda. Este tipo de láser, puede emplearse para los escáneres de supermercados que leen códigos de barras, así mismo es empleado en la topografía, en sistemas electro-ópticos de comunicación (fibra óptica) y en sistemas de lectura de discos compactos,

Bibliografía:

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Nájera Pérez Diego Iván.

Guerra del Rìo Ana Grisel

Materiales Bidimensionales Esos nuevos elementos consisten en láminas de materiales que pueden ser tan finas como un átomo y

que pueden apilarse, una encima de otra, según una secuencia bien definida.

El grafeno, una sola capa de grafito, fue aislado en 2004 por Novoselov et al. Antes de esta fecha, los

cristales 2D pertenecían al ámbito de las curiosidades académicas. La creciente investigación sobre el

grafeno demuestra tanto su interés científico fundamental como sus aplicaciones potenciales en

muchos campos tecnológicos diferentes, incluidos la electrónica, el almacenamiento o la separación

de gases, los sensores de alto rendimiento, la catálisis, las membranas o los recubrimientos duros, solo

para mencionar algunos. Este extraordinario éxito científico abrió la puerta a nuevas familias de

materiales 2D nacidos con el objetivo de complementar la lista de propiedades físicas del grafeno. Por

ejemplo, como es bien sabido, el grafeno es un semimetal sin intervalo de banda, lo que impide su uso

para muchas aplicaciones prácticas electrónicas y optoelectrónicas.

Más allá del grafeno, los años anteriores también han sido testigos del florecimiento de la

investigación en los calcogenuros de grafeno y metales de transición (TMDC1) 2D, y el renacimiento

de los materiales 2D elementales del grupo VA. TMDC con la fórmula de MX 2 , donde M es un

metal de transición y X es un calcógeno’.

Materiales representativos

Grafeno staneno

Fosforeno MoS2

Borofeno WTe2

Siliceno TaS2

Antimoneo

Bases del funcionamiento

La modificación covalente del grafeno consiste en transformar los carbonos de configuración sp2 a

sp3 , lo que llevaría a una geometría tetraédrica con enlaces más largos. Esta transformación afecta no

sólo al carbono que pasa a ser sp3 sino que también crea un efecto de 18 distorsión geométrica que se

extiende sobre múltiples posiciones de la red. Como resultado, la deformación de la red disminuye

significativamente la energía necesaria para producir enlaces químicos covalentes con el grafeno. Así,

la funcionalización covalente del grafeno consiste en la modificación de la estructura grafítica del

carbono mediante la introducción de átomos o grupos funcionales en su superficie.

La interacción deseada para los materiales bidimensionales es la formación de un enlace covalente,

un enlace fuerte en el que los electrones de enlace son compartidos por ambos átomos, de esta manera

se consiguen cambios significativos en las propiedades electrónicas del material bidimensional como

el grafeno en el párrafo anterior.

Características químicas y estructurales representativas

Los materiales 2D que son semiconductores, como y fosforeno tienen propiedades electrónicas,

ópticas y químicas que los hacen más atractivos que el grafeno en muchas aplicaciones. Todos estos

materiales tienen un bandgap2 menor a 2.0 eV (láminas de grosor de un átomo aprox.), lo que

restringen sus propiedades optoelectrónicas en el azul y en el UV.

1 Dicalcogenos de metales de transición (TMDC) 2Banda prohibida (bandgap en inglés). Por la teoría de bandas de sólidos, se sabe que los semiconductores tienen una banda

prohibida entre las bandas de valencia y de conducción.

Características básicas de los TMDC`s

Debido a su característica planar de dos dimensiones, los TMDC exhiben una gran relación

superficie-volumen que acomoda el acceso directo para la funcionalización de grandes áreas. El área

de superficie relativamente grande también permite la interacción máxima con el objetivo para una

mayor eficacia, así como la sensibilidad en el caso de la detección y la formación de imágenes.

Los TMDC son semiconductores y poseen un espacio de banda eléctrico que aumenta con espesores

decrecientes. Unido a las considerables movilidades de transportador de carga, permite que los TMCD

se usen en transistores de efecto de campo como biosensores donde los cambios en la conductancia

cuando se exponen al analito permiten el control de sus concentraciones. En comparación al grafeno,

que no tiene una banda prohibida electrónica, se puede alcanzar sensibilidades más altas.

Características del grafeno

Podemos definir al grafeno como una hoja bidimensional monoatómica de átomos de carbono unidos

mediante enlaces covalentes con hibridación sp2 llamados σ. Estos enlaces dan lugar a una red

hexagonal plana de átomos de carbono (estructura panal de abeja) con distancias entre primeros

vecinos de 1.42 Å. El grafeno es un material extremadamente duro, muy flexible y elástico, muy

ligero, transparente y conductor eléctrico.

La explicación de las diferentes propiedades son las distintas formas alotrópicas que se hallan en la

diferente disposición espacial de los átomos en cada variedad alotrópica. Además cada carbono

presenta la naturaleza de carbón, el cual tiene una estructura amorfa, es decir, no cristalina.

Propiedades del grafeno

Las propiedades más resaltantes del grafeno son su comportamiento metálico y efecto de campo

eléctrico, quiralidad, sus electrones presentan similitud con fermiones de dirac sin masa, tiene un

efecto Hall cuántico anómalo y efecto piezoeléctrico.

Principales aplicaciones

Las aplicaciones más estudiadas del grafeno son su capacidad para poder fabricar baterías con menos

tiempo de cargas y descarga, y ya que el grafeno es un semiconductor su uso en electrónica y como

componente en celdas solares y capacitores es muy grande, aunque su difícil síntesis le resta utilidad.

Los TMCD exhiben propiedades versátiles que van desde aislantes, semiconductores como MoS2,

semimetales como WTe2 , hasta superconductores como TaS2 . El intervalo de banda dependiente de

la capa que se combina con la movilidad razonable del portador de carga hace que los TMDC sean un

material prometedor para la electrónica y optoelectrónica. En particular, varias características clave

que incluyen el espacio de banda directo, el giro y el acoplamiento de valle en los TMDC cuando se

reducen a una sola capa enriquecen aún más sus funcionalidades. Además de estos, los TMDC

también ofrecen grandes oportunidades en catálisis y almacenamiento de energía que se benefician de

su estructura de capas y planos de borde. No obstante, muchas aplicaciones todavía requieren

propiedades ajustables al tiempo que conservan sus estructuras de cristal de alta calidad.

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universidad vacío.Madrid: Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid.

Metal-Organic Frameworks (MOFs).

Villeda Villegas Marco Antonio, Viedma Bravo

César Luis.

Introducción.

Los materiales porosos han generado un gran interés

en las últimas décadas en investigaciones científicas

y tecnológicas. Anteriormente estos materiales

estaban únicamente constituidos por carbón activado,

geles de sílice, alúmina y zeolitas, sin embargo,

recientemente se han sintetizado ciertos polímeros

porosos, constituidos por iones metálicos coordinados

con ligantes orgánicos, conocidos como Metal-

Organic Framework.

Composición representativa de los MOFs.

Las aplicaciones de los MOFs dependen tanto de las

condiciones a las cuales se sintetizan como de los

ligandos e iones metálicos que los componen, es por

ello que no existe un único sistema representativo de

estos materiales, sin embargo es importante

mencionar que los ligandos con ácidos carboxílicos

como sustituyentes junto con los cationes Zn2+, Ni2+ o

Cu2+ son los que más frecuentemente se utilizan en la

síntesis de MOFs, es por ello que se ha descrito un

gran número de conglomerados organometálicos

formados por la combinación de estos metales con

este tipo de ligandos. Estos agregados metal-

carboxilato forman unidades de construcción

secundarias en los MOFs (SBUs por sus siglas en

inglés), y por la unión de estas SBUs, a través de las

moléculas orgánicas, se generan las redes con

distintas características estructurales y topológicas.

Bases del funcionamiento.

Los MOFs poseen un área superficial enorme

respecto a otros materiales adsorbentes como las

zeolitas. Esto se debe a que hasta un 90% del espacio

total del MOF se encuentra vacío, disponiendo el paso

o almacenamiento de gases u otras sustancias. Lo

anterior se debe al uso de una extensión isoreticular,

es decir que se varía la longitud de los ligandos,

añadiendo nuevos grupos funcionales, para modificar

el tamaño de los poros y por consecuente la superficie

específica. Mediante el modelo de BET se han

calculado valores de superficie específica de hasta

6240 m2 en ciertos MOFs.

Características químicas y estructurales.

Los componentes básicos de los MOFs, por un lado,

están los ligandos orgánicos (generalmente moléculas

aromáticas rígidas) y por otro los centros metálicos

(figura 1).

El control estructural en los MOFs está basado en las

condiciones a las cuales se sintetizan y a los

elementos metálicos que se combinan con los grupos

funcionales de los ligandos, controlado esto se

generan diferentes conglomerados cuya geometría y

conectividad es particular de cada MOF.

Figura 1. La unidad de construcción secundaria formada

por 4 átomos de zinc en coordinación tetraédrica unidos por

6 grupos carboxílicos tiene una geometría simplificada

igual a un octaedro.

Las redes que forman los MOFs pueden ser

clasificadas por los nodos y los conectores que unen

estos nodos. El grado de conectividad de cada nodo,

y la forma en la que se une a otros nodos adyacentes

determinan las características de una u otra red de lo

cual dependen las propiedades de adsorción del MOF.

Aplicaciones.

Almacenamiento y separación de gases:

El alto grado de porosidad que los MOFs pueden

alcanzar es sin duda la característica que más interés

ha despertado en la comunidad científica. Estos altos

valores de superficie específica y tamaño y volumen

de poro hacen que los MOFs estén siendo

extensamente estudiados para su uso en el

almacenamiento de gases con fines energéticos, como

H2 o CH4, o incluso la captura de CO2

Biomédicas:

Los MOF son materiales potencialmente eficaces

para la administración de fármacos, ya que sus

propiedades pueden modificarse ajustando los grupos

funcionales de los marcos y ajustando finamente el

tamaño de los poros. Se han preparado varios MOF

que poseen poros hidrófilos capaces de transportar

cargas positivas o negativas, útiles para encapsular

fármacos que tienen carga opuesta con respecto a los

MOF. Los MOF también pueden utilizarse como

materiales capaces de incorporar biomoléculas y

cationes metálicos biocompatibles; de hecho, pueden

incorporar biomoléculas como enlazadores o metales

bioactivos como nodos en el marco, útil para

aplicaciones de imágenes.

Catálisis:

Otra importante aplicación de los MOFs es su uso

como catalizadores heterogéneos puesto que emulan

las propiedades catalíticas de complejos homogéneos,

sin embargo, su actividad es menor que la de los

catalizadores homogéneos. Una de las ventajas de

utilizar MOFs como catalizadores heterogéneos es su

gran porosidad que permite el paso de los reactantes

a través de los poros, de manera que hay un mayor

número de centros activos accesibles. Además,

también es posible diseñar racionalmente el entorno

con un alto grado de precisión. Las MOFs pueden

actuar como especies espectadoras en las que tiene

lugar la reacción catalítica o pueden ser el sitio activo,

capaces de estabilizar el estado de transición y

orientar las moléculas. En algunos casos, la actividad

catalítica de los MOFs se debe a la presencia de

centros metálicos insaturados o especies catalíticas

existentes en los poros o sitios inherentes en el MOF.

Sensoriales y espectroscópicas:

Los MOFs luminiscentes son materiales potenciales

para desarrollar diferentes tipos de sensores en

función de sus propiedades luminiscentes ajustables.

Los MOFs luminiscentes se pueden utilizar en

aplicaciones sensoriales por su capacidad para

capturar moléculas de analito, por ejemplo, en la

detección de compuestos orgánicos volátiles: al

exponerse a varios analitos a temperatura ambiente,

cambia la emisión máxima de luminiscencia a varios

niveles.

Electroquímicas:

Varios MOFs exhiben propiedades magnéticas y

multiferricas específicas. Por esta razón, la mayoría

de los estudios en este campo están dedicados al

diseño de imanes moleculares y materiales

magnéticos de baja dimensión. Los MOF se han

estudiado como materiales de ánodo, cátodo y

electrolito para baterías de ión litio.

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Enciso García Pedro Química del Estado Sólido

Semiconductores transparentes

Materiales Representativos: Fosfuro de galio GaP Arseniuro de galio aluminio Al x Ga 1− x As Óxido de zinc ZnO Silicio Si Óxido de cadmio CdO Óxido de estaño SnO Óxido de indio In 2 O 3

Bases del funcionamiento: En un material estarán presentes enlaces entre átomos, así como interacciones de cierta fuerza o con cierta intensidad, debido a los enlaces que se forman entre los átomos de los compuestos semiconductores pueden estar más fuertemente ligados en comparación con un material conductor, se puede decir que no se permite que el flujo de electrones se lleve a cabo libremente o de una manera tan fácil entre las capas de valencia, en otras palabras, no habrá una conductividad por completo, o al menos no lo habrá en condiciones normales de temperatura, ya que al modificar la temperatura, específicamente al aumentarla, generalmente los enlaces entre los átomos de un material específico se pueden ver debilitados e incluso se pueden romper permitiendo así un mayor flujo de electrones o un mejor movimiento entre orbitales de los mismos al aplicarle un flujo de corriente eléctrica, es decir que puede o no, tener mayor la conductividad al ser calentado dicho material a que si no es incrementada su temperatura. Al ser aplicado un flujo de corriente a través de una diferencia de potencial a un material semiconductor, lo que se pretende hacer es acelerar a los electrones para que se puedan desplazar a través de las capas de valencia, permitiendo así transportar carga de un lugar a otro, en el caso de los semiconductores en particular, habrá una cierta resistencia al movimiento o flujo libre de los electrones debido a la misma naturaleza de los enlaces entre los átomos del material al que le sea aplicada la corriente eléctrica, dicha resistencia variaría de acuerdo a los elementos de los que esté conformado el material, en otras palabras, necesitará una mayor intensidad de corriente para poder acelerar lo suficiente los electrones (suponiendo querer lograr una conductividad parecida a la de un material conductor o lograr obtener la mayor conductividad de un material de interés) y con ello lograr que se puedan mover a través de los orbitales, claro todo esto en comparación con un material clasificado como conductor. Cada material permitirá un flujo de corriente distinto y es característico, entonces podemos decir que el grado de conductividad en cada material será diferente, ya que los enlaces y/o interacciones entre los átomos será de igual manera distinta, en unos puede ser un enlace más fuerte, en otros puede haber más interacciones, etc. y dependiendo de cuán conductivo sea el material será utilizado para una tarea específica, pues, varía de acuerdo a los elementos de los que esté conformado el material, en otras palabras La propiedad de la transparencia se debe a que el material en cuestión tiene huecos entre sus moléculas con el suficiente espacio para que los fotones pasen a través del material, sin que exista una desviación o que si existe dicha desviación sea mínima, permitiendo así que el material no absorba o emita algún tipo de energía, lo que se traduce en que se pueda ver a través del material.

Característica química y/o estructura representativa:

Forma de la capa superficial de un recubrimiento de semiconductor transparente

[1] Principales aplicaciones: Electrodos, como componentes electrónicos, en pantallas táctiles, displays, celdas solares, dispositivos emisores de luz, como transistores, dispositivos de emisión de luz LED. Bibliografía :

Computational discovery of p-type transparent oxide semiconductors using hydrogen descriptor Kanghoon Yim, Yong Youn, Miso Lee, Dongsun Yoo, Joohee Lee, Sung Haeng Cho & Seungwu Han 3 April 2018

Amorphous-InGaZnO Thin-Film Transistors Operating Beyond 1 GHz Achieved by Optimizing the Channel and Gate Dimensions Published in: IEEE Transactions on Electron Devices ( Volume: 65 , Issue: 4 , April 2018 ) Page(s): (1377 - 1382) Date of Publication: 05 March 2018

Electrodos transparentes Francisco de Moure-Flores y colaboradores, Universidad Autónoma de Querétaro Facultad de Química, Área de Materiales Fecha de recepción: 13/03/2013 Fecha de aceptación: 20/06/2013

Transparent oxide semiconductors: Recent material developments and new applications Published in: IEEE Photonic Society 24th Annual Meeting Date of Conference: 9-13 Oct. 2011 Date Added to IEEE Xplore : 22 December 2011

[1] https://slideplayer.com/slide/8721691/

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO • FACULTAD DE QUÍMICA • QUÍMICA DEL ESTADO SÓLIDO

DORIS MIRIAM RAMÍREZ CRUZ • JOSUE ROMERO MORENO

1

Cristales líquidos Al calentar un sólido hasta su punto de fusión, la energía térmica agregada vence las atracciones intermoleculares que

dan un orden molecular al sólido. El líquido que se forma se caracteriza por la orientación aleatoria de las moléculas y un

movimiento molecular considerable. Algunas sustancias, exhiben un comportamiento más complejo cuando su fase sólida

se calienta.

En lugar de pasar directamente de la fase sólida a la fase líquida al calentarse, algunas sustancias, como el benzoato de

colesterol, pasan por una fase líquido-cristalina intermedia que posee algo de la estructura de los sólidos y algo de la

libertad de movimiento que tienen los líquidos. Los cristales líquidos pueden ser muy viscosos y poseer propiedades

intermedias entre las de las fases sólidas y líquida. La región en la que los cristales líquidos exhiben estas propiedades está

delimitada por temperaturas de transición muy marcadas, como el ejemplo de Reinitzer.

Tipos de cristales

Generalmente los cristales líquidos están constituidos por

moléculas largas y casi cilíndricas. Exhiben cierto

ordenamiento de las moléculas y dependiendo de la

naturaleza del ordenamiento, hay dos tipos principales

de cristales líquidos: cristales líquidos termotrópicos,

producidos al calentar cualquier sustancia capaz de

alcanzar un estado paracristalino; y cristales líquidos

liotrópicos, producidos mediante la mezcla de varios

componentes, como una molécula orgánica apropiada

y un disolvente polar, como agua. Los cristales líquidos

termotrópicos, a menudo considerados el grupo más

importante de materiales paracristalinos, se dividen en

tres clases según características estructurales: nemática

ordinaria, esméctica y nemática colestérica.

Nemática: Las moléculas están alineadas a lo

largo de sus ejes longitudinales, pero no hay

ningún ordenamiento respecto a los extremos de

las moléculas, todas sus partículas se puedan

deslizar o girar libremente. El acomodo de las

moléculas es similar al de un puñado de lápices

que no están alineados.

Esmécticas: Las moléculas presentan un

ordenamiento adicional más allá del de la fase

nemática. Sus partículas están dispuestas en

capas individuales cuyos ejes largos son

paralelos entre sí y perpendiculares o inclinados

de otro modo al plano de la capa. Las capas de

cristales líquidos esmécticos pueden deslizarse

unas sobre otras, pero las partículas individuales

no pueden moverse fuera del plano de su capa.

Debido a esto, los cristales líquidos esmécticos

tienden a ser más sólidos que los cristales líquidos

nemáticos ordinarios. Esto los hace más opacos

y viscosos de lo que serían en el estado

nemático ordinario.Las fases esmécticas se

parecen a un puñado de lápices cuyos

extremos están casi alineados.

Hay distintos tipos de fases esmécticas, designadas por

las letras A, B, C, etc.

Esméctica A: Las moléculas están dispuestas en

capas, con sus ejes longitudinales

perpendiculares a las capas.

Esméctica C: Las moléculas están alineadas con

sus ejes longitudinales inclinados en relación con

las capas en que están apiladas las moléculas.

Colestérica: Las moléculas están alineadas a lo

largo de sus ejes longitudinales como cristales

nemáticos, pero están dispuestas en capas con

sus ejes largos paralelos entre sí y al plano de la

capa, con las moléculas de cada plano torcidas

ligeramente en relación con las moléculas de los

planos de arriba y de abajo. La alineación de

cada capa se gira en un ángulo fijo fuera de la

línea con las capas inmediatamente por encima

y por debajo de ella, dando a los cristales

líquidos colestéricos una disposición en espiral de

largo alcance.

Imagen 1.Estructura y orientación de cada tipo.

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DORIS MIRIAM RAMÍREZ CRUZ • JOSUE ROMERO MORENO

2

Las propiedades eléctricas y ópticas de los cristales

líquidos los hacen bastante útiles. Por ejemplo, una

corriente eléctrica puede realinear las partículas de un

cristal líquido nemático y hacer que parezca opaca. Este

efecto se utiliza en relojes y otros instrumentos

electrónicos que poseen una pantalla (LCD) de cristal

líquido. En tales casos, un símbolo

generado eléctricamente se ve en negro

contra un fondo nemático ordinario

nublado que no se ha realineado de esta

manera. Otra propiedad interesante de los

cristales líquidos se debe al hecho de que

la naturaleza espiral de los cristales líquidos

nemáticos colestéricos se cambia al

calentarlos. Esto hace que los cristales

cambien de color cuando se calientan, lo

que lleva a muchas aplicaciones prácticas

útiles.

Las imágenes que aparecen en las

pantallas LCD se crean con un circuito

oscilante que envía pulsos a un patrón

segmentado grabado en las superficies de los

electrodos. La imagen vista depende de cuál de los

segmentos del patrón se activan en un momento dado.

Los LCD son monocromáticos, pero se pueden hacer

para mostrar el color agregando filtros de color rojo,

verde y azul.

FUENTES.

Sanford S. Singer. (2011). Liquid Crystal. Salem Press, pp. 5. Noviembre 2018, De Salem Press Encyclopedia of

Science Base de datos.

M. Gavrilyak, A. Karaawi, V. Boronin & W. Haase. (Abril 2018). Mechanism of electrooptic switching time

enhancement in ferroelectric liquid crystal/gold nanoparticles dispersion. Taylor and Francis, --, pp.8. Noviembre

2018, De tandfonline-com.pbidi.unam.mx Base de datos.

Bossi, Mariano L. (2003). Fotocromismo en cristales líquidos nemáticos y colestéricos. Noviembre 2018, de OAIster

Sitio web: https://digital.bl.fcen.uba.ar/download/tesis/tesis_n3538_Bossi.pdf

Martínez S et.al Cristales líquidos: un ejemplo fantástico de aplicación tecnológica de las propiedades de la

materia / Susana Martínez Riachi...[et.al.]. - 1ª ed. - Córdoba : Agencia

Córdoba Ciencia, 2005. García-Colín S y Rosalío Z, Líquidos exóticos, FCE, 1°Edición, 1995, México D.F.

Imagen 2.Estructura colestérica cada orientación particular se repite en una serie de varias capas.

Imagen 3. Funcionamiento de un pixel.

Bonilla Figueroa Daniela Química del Estado Sólido Ramos García Álvaro

1

Supercapacitores

Principio físico: Capacitancia.

Si un objeto puntual o una esfera conductora con potencial E

lleva una carga Q, su capacitancia se define como C = Q/E. La

capacitancia de una esfera de radio r en el vacío está dada por

𝐶 = 4𝜋𝜀0𝑟

La capacitancia se mide en Faradios, que son iguales a

Coulomb sobre Volt.

Más relevante para el ámbito electroquímico es la separación

de dos fases conductoras (conductores iónicos o electrónicos)

por una capa aislante. Luego, la capa aislante con espesor

constante d es formalmente el dieléctrico de un capacitor de

plato paralelo con capacitancia

𝐶′ = 𝐴𝜀𝜀0/𝑑

Donde 𝜀 es la permitividad eléctrica del aislante, A es el área

correspondiente y d es la distancia de separación entre la

doble capa, la cual es muy pequeña.

Características Químicas y Estructurales

Son dispositivos cuya función es el almacenamiento y

conversión de energía. En las baterías la conversión de energía

se obtiene por reacciones redox (electroquímica) y los ciclos de

carga y descarga pueden incluir irreversibilidad en la

interconversión de los reactivos-electrodos, por lo que tienen

un tiempo de vida limitado. Los supercapacitores basan su

funcionamiento en interacciones electrostáticas que ocurren

en la interfase electrodo-solución y que son mucho menos

perjudiciales para el electrodo y para la solución. También

funcionan en un rango de temperaturas muy amplio. Los

capacitores pueden soportar ciclos de carga y descarga del

orden de 106, pero la cantidad de energía que almacenan es

menor que las baterías. Para aumentar la densidad de energía

de supercapacitores, se emplean electrodos de gran área

superficial, como carbones activados, aerogeles y fieltro, con

áreas de entre 1000-2000 m2 g-1 y capacitancias de 100 Fg-1.

Otra ventaja de los supercapacitores es su gran potencia y alta

rapidez de carga.

La capacitancia de un supercapacitor se define como C = Cdl +

Cθ. El primer término representa la capacitancia de la doble

capa, y el segundo término representa la pseudocapacitancia.

Un supercapacitor típico se compone de 3 elementos básicos:

electrodos, solución electrolítica y un separador. Las

características clave para su funcionamiento son la capacidad

de soportar varios ciclos de carga, estabilidad y gran área

superficial.

Existen 3 tipos de supercapacitores: Electroquímicos de doble

capa (EDLC), pseudocapacitor y un híbrido de los dos. En el

EDLC (a), el mecanismo de almacenaje y liberación de energía

se basa en la separación de carga a nanoescala en la interfaz

electroquímica formada entre el electrodo y un electrolito. El

proceso es no Faradaico y no hay reacciones redox

involucradas. Estos supercapacitores tienen ciclos de vida

largos. Los pseudocapacitores (b) se basan en reacciones redox

faradaicas que involucran materiales electródicos de gran

energía basados en óxidos metálicos, carbón dopado con

metales, o polímeros conductores. Estos materiales proveen

de mayor densidad de energía, pero vidas útiles más cortas y

rapidez de carga menor. El supercapacitor hibrido involucra

ambos mecanismos.

La capacitancia de electrodos de carbono en soluciones ácidas

y alcalinas es alta, pero la angosta ventana electroquímica de

las soluciones acuosas es una desventaja cuando se usa en

supercapacitores. Por lo tanto, es posible incrementar la

densidad de energía de supercapacitores al hacer más grande

la ventana de trabajo potencial. Para eso, soluciones polares

apróticas pueden ser adecuadas.

Materiales Representativos

Los materiales derivados del carbono han sido ampliamente

estudiados debido a su gran área superficial y baja resistencia,

y han mostrado capacitancias de hasta 500 F/g en soluciones

alcalinas. Los óxidos de Rutenio e Iridio producen capacitancias

de 250 micro F/g, mientras que la capacitancia en electrodos

de carbono está en el rango de 10 a 50 micro F/g dependiendo

de la solución electrolítica empleada y el precursor del

electrodo. Capacitancias tan altas como 770 F/g han sido

reportadas cuando electrodos de óxidos hidratados porosos

de Rutenio se emplearon. Otros materiales que mostraron ser

superconductores son polímeros conductores. Amplias

ventanas electroquímicas pueden ser alcanzadas con

Bonilla Figueroa Daniela Química del Estado Sólido Ramos García Álvaro

2

polímeros conductores como los politiofenos en soluciones

electrolíticas apróticas. Sin embargo, la estabilidad y

ciclabilidad de estos compuestos es limitada. Recientemente,

nuevos materiales como acero, titanio, molibdeno, y

nanotubos de carbono han sido sugeridos como materiales

para electrodos en supercapacitores. Siendo de todos estos el

óxido de manganeso el más viable a utilizar debido a su

relativamente bajo costo y poco impacto ambiental.

Aún así todos los materiales que se han considerado los

“mejores” para utilizarlos en la fabricación de

supercapacitores presentan ventajas y desventajas, dejando la

combinación de materiales de carbono, ya sea con un óxido de

algún metal o un polímero conductor, como la “mejor” opción.

Aplicaciones

Existe una gran brecha entre la aplicación que deberían tener

los supercapacitores, debido a las investigaciones teóricas que

se han hecho acerca de estos, y su aplicación en la vida real. La

razón por la cual los supercapacitores no han llegado a ser

usados en algún ámbito de la industria y tecnología actual es

debido al impedimento tecnológico de nuestra época.

Actualmente un supercapacitor es incapaz de llegar al nivel de

eficiencia teórica que estos deberían tener debido al

impedimento que genera la resistencia equivalente en serie

que presentan y que no ha podido ser disminuida hasta ahora.

Otro factor importante es el electrolito, este debe de ser

mejorado ya que el que se utiliza ahora irrumpe con el poder

de almacenamiento del supercapacitor. A su vez, los factores

del costo de los materiales y fabricación es otro gran

impedimento para el uso de estos dispositivos a gran escala.

Sin embargo, la aplicación más viable con la tecnología actual,

la cual ya fue llevada acabo en Estados Unidos y China, es en el

uso de baterías para autobuses híbridos eléctricos.

El uso con mayor posibilidad de implementarse a gran escala

es en el de usar los supercapacitores combinados con baterías

de ácido sólido en los autos híbridos denominados “stop-

go”.Estos autos al momento de detenerse se apagan y cuando

se reanuda el movimiento se vuelven a prender, esto lleva a la

necesidad de un dispositivo que sea capaz de almacenar una

gran cantidad de energía para que el auto pueda llevar a cabo

esta función y a la vez ahorre mayor combustible, es ahí, donde

entran los supercapacitores.

Finalmente, los capacitores tendrían un amplio uso en

cualquier proceso que necesite una carga o descarga de

energía rápida.

En conclusión, los supercapacitores son dispositivos robustos

capaces de almacenar energía con aplicaciones en vehículos,

respaldos, y fuentes de poder para almacenamiento

computacional altamente reversibles.

Bibliografía

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Jiang, Li. PY - 2013/06/01. SP - 72. EP – 79. T1 -

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• TY – BOOK. AU - Burke, Andrew. AU - Liu, Zhengmao. AU -

Zhao, Hengbing. PY - 2014/12/17. SP -. T1 - Present and

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Hybrid Vehicles. DO - 10.1109/IEVC.2014.7056094. JO -

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2014. ER -.

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Inzelt, Fritz Scholz. Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

2008. Ed 1. DOI: 10.1007/978-3-540-74598-3. Pp 68,

646 & 647.

TRANSISTORES Facultad de Química-Química del Estado Sólido. Profesor José Francisco Gómez García Márquez Carpinteyro Pamela Alexandra Munguía Galeana Dulce

Un transistor es un dispositivo que funciona como amplificador o interruptor de señal, y está hecho de semiconductor formado por 3 partes, un emisor, una base (modula el paso de electrones), y un colector. Un semiconductor es un material que posee conductividad intermedia, con respecto a un aislante y a un conductor, debido a que su banda prohibida es más pequeña que la de un aislante. Las características de los materiales semiconductores pueden ser alteradas significativamente por los defectos en su estructura cristalina, considerando dos tipos (según su aportación a las propiedades de conducción), los negativos (n) que son electrones en la banda de conducción que pueden moverse, y los positivos (p) que son huecos en la banda de valencia, donde puede entrar un electrón.

Las energías de distribución de los electrones en un sólido se describen mediante la función de distribución de Fermi-Dirac:

(E)f = 11+e(E−EF )/kT

Donde f(E) es la probabilidad de que un electrón ocupe un estado con energía E; y EF (nivel de Fermi) es la energía a la cual f(E)= 0.5; f(E) es simétrica alrededor del nivel de Fermi, por lo que, si el número de estados en la banda de conducción (Nc) es igual al número de estados en la banda de valencia (Nv), y el número de electrones en la banda de conducción es igual al número de huecos en la banda de valencia (n=p), EF se encuentra a la mitad de la banda prohibida; cuando esto sucede, hablamos de un material intrínseco, en el que los huecos y electrones son generados térmicamente (energía necesaria para romper un enlace, es decir, al menos la energía de la banda prohibida Eg), y se denotan con ni (densidad de portadores intrínsecos); cuanto mayor sea la banda prohibida del material, menor será ni. También existen los semiconductores extrínsecos, aquellos que se han dopado con “impurezas” que aportan los defectos a la red cristalina (portadores de carga n o p) en mucho mayor concentración que ni; por ejemplo, añadir a Silicio (valencia 4), que tiene estructura tipo diamante, una impureza con valencia 5 como fósforo, el electrón extra no puede acomodarse en el arreglo de enlaces de la red de silicio, por lo que es fácil de arrancar, es decir, la energía de ionización de Fósforo en Silicio será menor que la banda prohibida del Silicio; usualmente en la red cristalina del silicio a temperatura ambiente hay suficiente energía vibracional de red disponible para proveer esa energía, por lo que las impurezas del grupo V generalmente están ionizadas en el Si (a menos que estén en concentraciones muy altas); a esto se le llama ionización completa, aquí podemos plantear que la concentración de electrones es igual a la concentración de impurezas de donadores: n = ND (se entiende por impurezas de donadores a aquellas que donan un electrón a la banda de conducción); cuando la mayoría de las impurezas son de esta naturaleza, es un semiconductor tipo N. También es posible agregar una impureza del grupo III, es decir, con un electrón menos que el silicio, por lo que hay un hueco en la banda de valencia, el cual puede ser “removido” fácilmente (con una energía de ionización baja), volviendo a considerar el caso de ionización completa, la concentración de huecos es igual a la concentración de impurezas de aceptor: p=NA; si la mayoría de las impurezas son así, es un semiconductor tipo P; en este sentido, conforme EF se acerca a EC la concentración de electrones aumenta; y mientras EF se aproxima a EV, la concentración de huecos aumenta. El nivel de Fermi es independiente del tipo de semiconductor, así como de las concentraciones individuales de electrones y huecos al equilibrio. Fuera del equilibrio térmico, se modifica la velocidad de los portadores de carga, eso se llama fenómeno de transporte. Entre los cuales, la conducción por arrastre, por ejemplo, en un semiconductor N, los electrones de la banda de conducción son partículas libres, que al recibir energía térmica están en movimiento constante, por lo que no están asociados con ninguna posición particular de la estructura; este movimiento térmico de un electrón individual puede ser visto como una sucesión de movimientos aleatorios con colisiones con átomos de la estructura cristalina, la velocidad térmica se modifica en presencia de un campo o diferencia de potencial, agregando otra componente llamada velocidad de arrastre; la movilidad es un parámetro que relaciona la velocidad de arrastre con la acción del campo. También presentan resistividad; por ejemplo, en un semiconductor N dopado homogéneamente, al aplicar un campo, aumenta la energía cinética de los electrones y disminuye su energía potencial (dada por el borde de la banda de conducción); al sufrir una colisión, los electrones pierden energía cinética, y la ceden a la red del semiconductor, convirtiéndose en calor; la resistividad se da en función de la concentración de donadores o aceptores, aunque para iguales concentraciones, la de un tipo P es mayor que la de un N. En casos en los que la concentración de portadores no es uniforme, existirá conducción por difusión, debido a gradientes de concentración. Transistor Bipolar (Bipolar Junc Transistor) Constan de tres partes de semiconductores (cristales de Germanio, Silicio o GaAs) dopados NPN, es decir, material tipo N (para este dopaje se suele usar Arsénico o Fósforo) para el emisor, tipo P (se usa Indio, Aluminio, o Galio) para la base, y material tipo N para el colector (aunque también existen los transistores PNP); como se muestra en la Figura 1. Cuando las corrientes siguen la relación: IE=IC+IB, se le conoce como estado de saturación, y la corriente circula entre el emisor y el colector como si fuera un circuito cerrado; otro estado es en activo; cuando a la base llega una corriente más pequeña de la corriente de base máxima, por lo que entre emisor y colector habrá una corriente intermedia; y finalmente en corte, cuando no llega corriente a la base, tampoco hay paso de corriente entre emisor y colector. En un transistor, toda la corriente a través de la

unión base-emisor consiste en electrones inyectados en la base; de forma tal que la mayoría pasen a través de la unión base-colector. Los electrones inyectados a la base, sufren difusión de la unión emisor-base; conforme se mueven a través de la base, algunos encuentran huecos y se “recombinan” con ellos; aquellos que llegan a la unión base-colector, entran a un gran campo eléctrico que los “barre” de la base al colector (por la caída de potencial en la unión). Transistor de Efecto de Campo (Field Effect Transistor) Fueron desarrollados después de los BJT, a diferencia de éstos en los que el efecto que se controla es la corriente (de la base), los FET tienen corrientes de entrada pequeñas; y el efecto que se controla es el campo producido por un voltaje de entrada. Hay dos tipos de FET, los de unión o JFET (junction), y los de Óxidos metálicos semiconductores o MOSFET (Metal oxide semiconductor). Los JFET sólo se componen por un semiconductor N o P, y son barras que tienen tres contactos Ohmnicos, uno en cada extremo (llamados drenador y fuente), y uno tercero en cualquier lado del canal , equivalente a la base del Bipolar, que regula el paso de corriente a las otras dos terminales. La conducción en los JFET es por mayoría de portadores de carga (en los BJT se involucran ambos tipos de portadores). En contraste, en un MOSFET, el camino entre drenador y fuente es una capa delgada de material aislante colocada sobre el canal antes de la deposición del electrodo de compuerta; la capa es tan delgada, que el campo producido por la compuerta de potencial aún penetra y tiene influencia en la conductividad del canal.

Figura 2. JFET. en https://en.wikipedia.org/wiki/JFET Figura 3. MOSFET en

https://electronicsforu.com/resources/learn-electronics/mosfet-basics-working-applications Aplicaciones Interruptor de transistor Se utiliza un transistor como interruptor para controlar los estados “encendido” y “apagado” de un foco situado en una extensión del colector de la red. Compuertas lógicas Hay dos entradas a cada compuerta, existen cuatro combinaciones posibles de voltaje a la entrada de los transistores. Un 1, o estado de “encendido”, se define por un alto voltaje en la base para encender el transistor. Un 0, o estado de “apagado”, se define por 0 V en la base, que garantiza que el transistor está apagado Espejo de corriente El espejo de corriente es una red de cd donde la corriente a través de la carga es la imagen reflejada de otra corriente de la misma red. Si se cambia la corriente de control de la red, también lo hará la corriente a través de la carga. Un espejo de corriente común es construido con dos transistores npn. Indicador de nivel de voltaje El indicador de nivel de voltaje es una red relativamente simple que utiliza un LED verde para indicar cuando el voltaje de la fuente está cerca de su nivel de monitoreo de 9V. Incluye tres elementos el transistor, el diodo Zener y el LED. Bibliografía

Grove, A.S. (1967). Physics and technology of semiconductor devices. EUA: John Wiley & Sons, Inc. Wilson, B. (2012). Introduction to physical electronics. Huston, Texas: Conexions. Rice University. Deboo, G. J.; Burrous, C. N. (1977). Integrated Circuits and semiconductor devices: theory and application. EUA:

McGraw-Hill. Boylestad, R. L.; Nashelsky, L. (2003), Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos (10ª.ed)

México: Pearson.

VIDRIOS FOTOCATALÍTICOS

Sifuentes Rojas Ricardo Alejandro.

Vergara Torres John Alexander.

Bases del funcionamiento, principio físico.

Las reacciones fotoquímicas ocurren cuando un compuesto tiene electrones capaces de absorber energía y excitarse a ciertas longitudes de onda (cromóforo). La cantidad de productos favorecidos termodinámicamente es abundante debido al exceso de energía en el estado excitado después de absorber un fotón. El estado excitado de la molécula tiene propiedades químicas distintas a su estado basal.

El proceso de fotocatálisis se puede dar por medio de una fotocatálisis homogénea o heterogénea, donde se hace posible la aplicación de la radiación solar para la realización de los procesos fotoquímicos, esto se suele llevar a cabo por medio de dióxido de titanio. El proceso de fotocatálisis requiere para que se lleve a cabo un compuesto a degradar, un compuesto oxidante y un foto catalizador. Los fotocatalizadores normalmente son semiconductores de banda ancha, los cuales producen pares hueco-electrón con gran potencial redox. Para ser eficaz debe de: ser resistente a la foto corrosión e insolubilidad, tener potencial redox de la banda de conducción lo suficientemente negativo para reducir el oxígeno y la banda de valencia lo suficientemente positivo para oxidar hidroxilos, ancho de banda que permita ser activado mediante luz solar, baja toxicidad, disponibilidad a coste reducido.

Fotocatálisis heterogénea con TiO2-material representativo, Estructura y descripción química.

El Dióxido de titanio (TiO2) es un mineral natural. Este elemento es de gran importancia y muy utilizado en muchos sectores por sus propiedades de dispersión, su estabilidad biológica y química, su no toxicidad, su coste reducido y por ser apto para trabajar en un amplio intervalo de pH, además de que es un semiconductor de banda ancha y tiene extraordinario poder oxidante.

El TiO2 Se presenta en tres formas cristalinas: anatasa (estructura octaédrica), rutilo (estructura tetragonal) y broquita (estructura ortorrómbica), las dos primeras son las más efectivas para el proceso de fotocatálisis.

Figura 1. Estructuras cristalinas del TiO2

Para describir el proceso químico a grandes rasgos, se puede decir que El TiO2 es excitado por la luz ultravioleta provocando la generación de radicales libres, hidroxilo y superóxido, los cuales provienen de la hidrólisis del agua y del oxígeno del aire. Éstos generan los procesos avanzados de oxidación y reducción de la contaminación.

La diferencia entre la banda de valencia y de conducción del TiO2 es de 3.2 eV. Si un fotón con la misma energía o superior entra en contacto se da la promoción de un electrón a la banda de conducción, generando un hueco (h+).

El par electrón-excitado hueco-electrón se propaga hacia la superficie del TiO2, donde participa en reacciones químicas con moléculas de oxígeno y agua presentes en el medio ambiente (adsorbidas en el material). Los huecos (h+) pueden reaccionar con agua produciendo radicales hidroxilos, el oxigeno por su parte puede reaccionar tomando los electrones y formando aniones radicales superóxidos (O2

-). Estas especies formadas tienen la capacidad para degradar diversos microorganismos, casi todos los tipos de contaminantes orgánicos y otros compuestos inorgánicos tales como NOx y el SO2.

Figura 2. Proceso de detoxificación solar por vía foto catalítica. Representación de una partícula del catalizador.

Vidrios Fotocatalíticos.

Las propiedades que se le atribuyen a un vidrio fotocatalítico le son conferidas mediante un tratamiento superficial, en el cual se deposita una capa transparente de un material que contiene TiO2, se sabe que a concentraciones muy bajas de TiO2 las reacciones ya consiguen ser muy efectivas, basta con un recubrimiento del orden de 600 nm - 1 µm para que la actividad fotocatalítica ya sea elevada. A estos materiales se les confiere la propiedad antiniebla debido a dos tipos de mecanismos foto inducidos que la película de TiO2 le otorga al material donde se dispone, la hidrofilicidad foto inducida y la oxidación fotocatalítica, ambas consecuencias de la foto generación de pares electrón-hueco. El proceso fotocatalítico ayuda a la autolimpieza, ya que reduce la capacidad de adherencia de partículas, polvo, impurezas y descomposición de grasa.

Figura 3. Mecanismos fotoinducidos que otorgan la propiedad de auto limpieza al TiO2

La hidrofilicidad es la afinidad que tiene la superficie de TiO2 con el agua, que tiende a acercarse y a mantener el contacto con ella. Cuando la superficie de la película fotocatalítica de TiO2 se expone a la luz UV, el ángulo de contacto del agua con la superficie se reduce a 10º, con lo cual, la superficie se convierte en hidrófila. Además, se sabe que la presencia de sílice ayuda a mejorar las propiedades hidrofílicas de TiO2, las ventajas son:

La superficie no repele el agua, por lo que forma una lámina fina en la superficie imposibilitando la formación de gotas.

Esto evita las manchas por las marcas de cal o suciedad. Su naturaleza hidrófila junto a la presión atmosférica impide la adherencia de polvo y partículas a la superficie por lo que se eliminan

simplemente con agua. Esto ofrece dos beneficios, fácil limpieza y auto limpieza con la lluvia.

Adicionalmente, las superficies recubiertas con una capa fotocatalítica de TiO2, al reaccionar con la luz, se cargan negativamente. El polvo fino tiene también carga negativa, por lo que se repelen mutuamente y se mantienen las superficies de TiO2 limpias y sin acumulación de polvo.

-Principales aplicaciones (nivel industrial).

La aplicación de nanopartículas de TiO2 en materiales de construcción comenzó a finales de los 80s, desde entonces se han investigado principalmente dos efectos, descontaminación y auto-limpieza, además de antivírica, antibacteriana, anti hongos, desodorizante y anti polvo. Algunas aplicaciones son:

Materiales fotocatalizadores de base cementera. (plazas, tejas de hormigón, revestimientos, muros, etc.)

Cerámica fotocatalítica.

Pavimentos fotocatalíticos.

Mobiliario interior. (en cocinas, etc.)

Mobiliario urbano. (parasoles, bancas, sillas, etc.)

Láminas asfálticas fotocatalíticas.

Pinturas fotocatalíticas.

Textil fotocatalítico. (tela de PVC fotocatalítica para el recinto del hotel Hyatt Regency en Osaka, estadio de fútbol de Brasil el cual utiliza un tejido impregnado de TiO2 para la estructura del techo.)

Bibliografía

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Muro Puente Itzel Alejandra

Torres Rosales Marco Augusto

Química del Estado Sólido: Aplicaciones

Sensores de Oxígeno a base de ZrO2

Materiales representativos El sensor de oxígeno es principalmente una celda galvánica de ZrO2, consiste en un tubo cerámico de ZrO2 dopado con iones Y3+, dicho tubo contiene electrodos de platino a ambos lados del cerámico. El exterior está recubierto con una capa de espinela que sirve principalmente para evitar la erosión, véase la Figura 1. Se emplea el óxido de zirconio pues dicho compuesto presenta en mayor cantidad defectos de Frenkel ya que tienen una mayor probabilidad de ocurrir debido a la estructura tipo fluorita de la sustancia (los cationes o aniones pasan de un hueco tetraédrico a uno octaédrico). Dichos defectos pueden reaccionar con oxígeno y crear conductividad iónica en el compuesto. Base del funcionamiento El sensor de oxígeno está basado en una relación entre la fuerza electromotriz generada por la concentración de oxígeno y su diferencia con la presión parcial en la celda, se puede describir por la siguiente ecuación:

𝐸 =𝑅𝑇

4𝐹𝑙𝑛(

𝑃𝑂

𝑃𝑂° );

en donde PO es la presión parcial de la celda y no se conoce, mientras que P°O es la

presión del oxígeno y se conoce para el sensor de operación a una temperatura T (en K), esta última ecuación corresponde a la siguiente reacción:

O2 (g) + 4 e- ←→ 2 O2-

Además, si hay CO presente puede ocurrir la siguiente reacción:

CO (g) + 2 O2- ←→ CO2 (g) + 2 e-

Una cara del sensor se expone a los gases de escape y la otra cara se expone al aire. Si PO es mayor fuera del sensor que dentro de él, el O2 se difunde a través del electrodo poroso de platino exterior y se reduce a O2- en la superficie del ZrO2 dopado con Y2O3.

Si bien existen dos mecanismos por los que se puede medir la concentración del O2, disociación parcial del ZrO2 y comportamiento de ZrO2 como electrolito, lo más común es encontrar sensores con este último mecanismo. Lo que pasa estructuralmente es que las vacancias de oxígeno en el material reaccionan con el oxígeno formando huecos electrónicos en la estructura de banda. La carga de dichos huecos es positiva y su concentración es dependiente de la presión del oxígeno. A mayor presión, mayor

concentración de huecos electrónicos y por tanto mayor cantidad de conductividad eléctrica (debido al aumento de portadores de carga en el sistema). Es por eso que tan solo midiendo propiedades eléctricas (variación de la diferencia de potencial generada), se puede medir la variación de huecos electrónicos y por consiguiente la presión de oxígeno. Al saber la presión de oxígeno, si la temperatura es constante,

Figura 1. Esquema de un sensor de

óxido de zirconio [1].

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Torres Rosales Marco Augusto

Química del Estado Sólido: Aplicaciones

entonces se puede determinar fácilmente su concentración. Este es el principio físico de dichos sensores. Características químicas o estructurales El ZrO2 puede tomar tres formas alotrópicas diferentes enfriando desde su temperatura de fusión (2680 °C) hasta temperatura ambiente.

Tabla 1. Estabilidad de fases en función de la temperatura.

Fase Temperatura

Cúbica (estructura tipo fluorita) 2370 - 2680 °C

Tetragonal 1170 - 2370 °C

Monoclínica Menor a 1170 °C

Las estructuras monoclínica y tetragonal tienden a fracturarse cuando hay un

cambio de fase entre ellas, porque ocurre una expansión del volumen; en cambio, al pasar de tetragonal a cúbica no hay un cambio significativo en el volumen. Al añadir cationes como Mg2+ o Y3+, estos sólo reemplazan a una pequeña cantidad de Zr4+, pero se ha encontrado que al dopar con itrio la fase cúbica, ésta se estabiliza a temperatura ambiente.

El sensor está hecho de ZrO2 parcial o completamente estabilizado. El itrio es usado exclusivamente como un estabilizador porque resulta que el material puede tener una alta conductividad iónica. En cualquier caso, se obtiene la formación de vacancias que compensan la carga en los sitios del oxígeno.

Existe el ZrO2 parcialmente estabilizado es dopado con CaO, MgO o Y2O3. Estos dopajes provocan la disminución en la temperatura de transición de fases debido a que se añade un dopante en menor cantidad de la necesitada para estabilizar la fase por completo, o bien, dicha disminución se obtiene de hacer tratamientos térmicos en condiciones apropiadas de tiempo y temperatura del ZrO2 estabilizado con una cantidad adecuada de soluto.

La fase cúbica del ZrO2 es estabilizada cuando está enlazado a una cantidad apropiada de óxidos divalentes o trivalentes de simetría cúbica. De acuerdo con el diagrama de fases binario, esta fase es estable en un amplio intervalo de temperatura y composición, pero se ha encontrado que no es realmente estable a temperatura ambiente. El pequeño cambio en el proceso de desestabilización puede provocar la formación de fases intermediarias debido a los bajos coeficientes de difusión de los cationes, que son un millón de veces más pequeños que los coeficientes de difusión del oxígeno. Como consecuencia se tiene que la fase cúbica es metaestable por largos intervalos de temperatura debajo de la temperatura de descomposición.

El alto punto de fusión y el hecho de que es casi inerte químicamente, son las bases para el uso del ZrO2 como refractario. Aplicaciones a nivel industria Los sensores de oxígeno a base de ZrO2 son aplicados a nivel industrial en su uso en automóviles. Fueron hechos a partir de la necesidad de perfeccionar los sistemas de combustión interna en cuanto al ahorro de combustible y un ahorro económico. El ahorro de combustible trae como consecuencia una disminución de emisiones. Dicho sensor es crítico para mantener una relación aire a oxígeno correcta.

Muro Puente Itzel Alejandra

Torres Rosales Marco Augusto

Química del Estado Sólido: Aplicaciones

Bibliografía Heuer, A., & Wobbs, L. (1981). SCIENCE AND TECHNOLOGY OF ZIRCONIA

(págs. 2, 3, 5, 8, 10, 389, 390). Columbus: The American Ceramic Society. Badilla, G. L., & Serrato, A. R. (1 de Diciembre de 2010). Análisis de estabilización

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Yoo, M., & Wuttig, M. (1993). DISLOCATION AT TWIN INTERFACES IN MONOCICLIC ZIRCONIA. TWINNING in Advanced Materials (págs. 465-469). TMS.

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QUÍMICA DEL ESTADO SÓLIDO (1414) Semestre 2019-1

Biopolímeros Rocha Soto Alondra Lizeth Rivera Buendía Benjamín Una de las áreas de la ciencia más importante de los polímeros son los polímeros naturales o biopolímeros, los cuales proceden de recursos renovables y están presentes en grandes cantidades en la naturaleza y son una opción de sustitutos de polímeros sintéticos o derivados de recursos no renovables, como el petróleo y los metales. Un biopolímero se puede clasificar de acuerdo a su método de producción, estas clasificaciones son: Por recursos naturales (Almidón, celulosa, colágeno), por su base petroquímica (Poliéster aromático, poliéster alifático) y finalmente si vienen a partir de mezclas.

El biopolímero más abundante en la naturaleza es la celulosa, el cual se forma por la unión de moléculas β-glucosa mediante enlaces β(1,4)-glucosídos, en las fibras de celulosa natural, las cadenas lineales macromoleculares están ordenadas paralelamente formando zonas cristalinas compactas (de densidad 1.6) y zonas relajadas (densidad 1.5) llamadas zonas amorfas de menor ordenación. las zonas cristalinas (70%-80% de la fibra) está formadas por agrupación de 100-150 moléculas de celulosa, constituyendo fibrillas primarias llamadas ”cristalitas o micelas” que forman agrupaciones paralelas visibles, el orden de las moléculas se debe a la tendencia a formar enlaces por puente de hidrógeno entre los hidroxilos alcohólicos de las moléculas vecinas, esto explica su insolubilidad en agua, ya que al no estar libres los OH, no pueden ser solvatados. Los principales polímeros dados a partir de celulosa son el celofán, el acetato de celulosa, el éster de celulosa, la celulosa regenerada para fibras y los biomateriales compuestos de celulosa.

Los ésteres de celulosa se utilizan en la fabricación de membranas y otros medios de separación. Los polímeros de celulosa también pueden usarse en procesos de extrusión y moldeo. La fibra regenerada de celulosa se utiliza mezclada con otras para la fabricación de prendas de vestir y en materiales higiénicos desechables. La celulosa de plantas y la celulosa de bacterias tienen la misma estructura química, pero diferentes propiedades fisicoquímicas.

El almidón está constituido por amilopectina (70% -90%) y amilosa (10%-30%). La amilopectina está conformada por cadenas muy ramificadas de moléculas de glucosa, unidas por enlace α(1,4) glucosídos en la cadena y α(1,6)-glucosídos en los puntos de ramificación. La amilosa tiene cadenas apenas ramificadas de unidades primarias de glucosa unidas por enlaces α(1,4) glucosídicos. Es un polímero de reserva energética que se encuentra en los vegetales, cuando éste tienen más moléculas de glucosa que las requeridas, las células vegetales las acumulan uniéndose entre sí, formando el almidón. Cuando hace falta energía y no hay glucosa disponible, las moléculas de almidón se hidrolizan para proporcionar la energía requerida. Es un polvo blanco, higroscópico, insoluble en agua, con potencial de utilización en síntesis de materiales biodegradables, sin embargo su uso tiene limitaciones debido a su baja resistencia a la humedad, baja procesabilidad e incompatibilidad con algunos polímeros hidrofóbicos. Se utiliza principalmente en la producción de películas biodegradables,además las mezclas de almidón con polietileno se utilizan para producir bolsas biodegradables.

Los aceites naturales se usan principalmente para síntesis de biopolímeros, estas aceites naturales se extraen de algunas plantas y en dónde el principal compuesto son triglicéridos. Los triglicéridos en su estructura química presentan grupos funcionales como alcoholes, peróxidos y dobles enlaces los cuales son excelentes grupos funcionales que se pueden polimerizar. Los aceites naturales que más se usan para la síntesis de biopolímeros son: Aceite de soya, girasol, linaza, higuerilla y palma. Debido a que las propiedades químicas y físicas varían de cada aceite esencial, son éstas las que dan las características químicas y físicas a los biopolímeros. Algunos polímeros preparados por triglicéridos son; poliésteres y poliamidas.

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QUÍMICA DEL ESTADO SÓLIDO (1414) Semestre 2019-1

El aceite de higuerilla es de los pocos aceites esenciales en presentar en el 90% de su estructura un solo componente, el cual corresponde al ácido ricinoleico. La principal utilización del aceite de higuerilla es para la síntesis de poliuretanos. Los poliuretanos obtenidos por el aceite de higuerilla presentan una mayor resistencia química al ataque de solventes, al rasgado y a tratamientos con altas temperaturas. Esto se debe principalmente a la baja velocidad y funcionalidad del aceite, ya que los grupos hidroxilos presentes en los carbonos secundarios y a largas cadenas de ácidos grasos, generando irregularidades en las moléculas de poliuretanos.

Los biopolimeros de tipo polihidroxialcanoato, son poliésteres sintetizados por bacterias que son acumulados como energía y reservas de carbono en forma de gránulos intracitoplasmáticos cuya composición son hidroxiácidos producidos por reacciones de fermentación (láctica). El tipo de biopolímero obtenido depende principalmente de la cepa bacteriana utilizada, su crecimiento y los sustratos utilizados para tener un mejor crecimiento en las cepas. Los sustratos más utilizados y debido a su baja economía para la producción de polihidroxialcanoato son: melaza de caña, residuos de arroz generados por la industria y lactosureros (residuos de la industria láctica). Sus principales aplicaciones están presentes en la utilización de contenedores cosméticos, envases de shampoos y productos de cuidado femenino.

Bibliografía Raimond B. Seymour & Charles E. Carraher, Jr.. (1995). Introducción a la Química de los

polímeros. España: Editorial REVERTÉ. P. Martinez de las Marías. (1972). QUÍMICA Y FÍSICA DE LOS ALTOS POLÍMEROS Y

MATERIAS PLÁSTICAS. España: Editorial ALHAMBRA. Alexander Yu, Grossberg & Alexei R. Khokhlov. (1994). STATISTICAL PHYSICS OF

MACROMOLECULES. THE UNITED STATES OF PHYSICS: Editorial American Institute of Physics.

Joana Rodríguez Sepúlveda & Carlos Eduardo Orrego Alzate. (Abril 2016). APLICACIONES DE MEZCLAS DE BIOPOLÍMEROS Y POLÍMEROS SINTÉTICOS. Revista Científica , Vol. 2, Núm. 25, pp. 1-7.

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Vitrales electrónicos, celdas solares orgánicas. Guerrero Rodríguez Diana Guadalupe. Reyes García Paola Michelle.

DEFINICIÓN DE MATERIAL REPRESENTATIVO Debido a los altos costos que implica la

producción de celdas solares inorgánicas,

diversos grupos de investigación han

comenzado a desarrollar celdas solares

construidas con materiales orgánicos.

(Barbosa-García, 2012) Las celdas solares

orgánicas (OSC por sus siglas en inglés),

debido a su capacidad de formar paneles

fotovoltaicos flexibles han

atraído la atención del

sector tecnológico de

recolección de energía

limpia debido a su bajo

costo comparado con el de

las celdas inorgánicas.

(Zhao, 2017)

En una celda solar orgánica,

el término orgánica se

refiere al hecho de que los

materiales a base de

carbono están en el corazón

de estos dispositivos, en

lugar del silicio.

Pero: ¿qué es una celda solar y cómo

funcionan?

Una celda solar orgánica es un tipo de

celda fotovoltaica que utiliza electrónica

orgánica, una rama de la electrónica que se

ocupa de los polímeros orgánicos

conductores o pequeñas moléculas

orgánicas para la absorción de luz y el

transporte de carga para producir

electricidad a partir de la luz solar

mediante el efecto fotovoltaico. (Pulfrey,

1978)

BASES Y FUNCIONAMIENTO SEMICONDUCTORES Es un dispositivo formado de dos placas

translucidas, un semiconductor tipo n que

tendría la función de electrodo de trabajo y

fotocatalizador, el colorante y un

electrolito.

El

movimiento de electrones es causado por

la luz recibida en el colorante que se

encuentra adherido al fotocatalizador, la

liberación de electrones es mediada por el

electrolito que por medio de una reacción

oxido-reducción regula el movimiento de

estos para mantener un equilibrio en la

celda, al igual que el semiconductor pues

tiene un exceso de electrones en la parte

exterior (semiconductor tipo n), también

se han ocupado otros fotocatalizadores

como NiO5, MgO, SnO2, pero el TiO2

tiene una mejor porosidad para adherir el

colorante.

Imagen 1: Esquema del funcionamiento de una

DSC. (Vanessa C. Martínez, 2016)

(Vanessa C. Martínez, 2016)

El colorante es preferente que sea un

colorante orgánico, por ejemplo el uso de

la clorofila, pues es metal que se encuentra

en la molécula es el que permite la

excitación por medio de radiación, como

sería el Mg.

El problema con las celdas orgánicas es la

eficiencia a comparación de las

inorgánicas, por lo que se busca en

investigación la forma más eficiente de

excitación causada por radiación y así el

movimiento de electrones, una alternativa

sería buscando un dopaje químico, varios

materiales han reportado el uso de

dopantes tipo p por la fuerte aceptación

electrónica de las moléculas orgánicas

centro metálico de Cu unido a tres ligantes

bidentados Imagen 2 (Julian Burschka,

2011)

APLICACIONES Para la obtención de energías

renovables, otras formas de

combustible. Aunque la ventaja de

que sean colorantes es que se pueden

formar vitrales con el vidrio

conductor y así generar una hermosa

celda solar orgánica; y dependiendo

de la absorbancia también

seleccionar el colorante.

Bibliografía

Barber, J. (10 de 11 de 2008). Royal Society

of Chemistry. Recuperado el 12 de

11 de 2018, de Chemical Society

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https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml

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Zhao, W. L. (2017). Molecular Optimization

Enables over 13% Efficiency in Organic

Solar Cells. . Journal of the American

Chemical Society,, 139(21), 7148–7151. .

Imagen 2: Dopante

quimico organico

https://www.pinterest.es/pin/18528097

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CEMENTOS

Se denomina cemento a un conglomerante hidráulico que, mezclado con agregados pétreos (árido grueso o grava, más árido fino o arena) y agua, crea una mezcla uniforme, maleable y plástica que fragua y se endurece al reaccionar con el agua, adquiriendo consistencia pétrea, denominado hormigón o concreto.

Pero el inicio del desarrollo del cemento, tal y como se le conoce actualmente, fue en 1824 cuando Joseph Aspdin, constructor de Leeds, desarrollo y patentó el cemento Portland, cuyo nombre se debe a la similitud entre este material y la piedra calcárea de Portland. El cemento que patentó Aspdin no era más que una cal hidráulica, debido a que la temperatura de cocción de la caliza era baja. Pero esta patente abrió el camino del desarrollo hacia el cemento de silicatos de calcio que hoy conocemos, siendo el cemento Portland el más usado en la actualidad.

El cemento Portland, es una mezcla compleja de caliza (u otros materiales con alto contenido de carbonato de calcio), sílice, hierro y arcilla, molidos y calcinados, que fragua y se endurece al reaccionar con el agua. Los componentes que forman el cemento son óxidos superiores de oxidación lenta. Esto significa que terminan su grado de oxidación al estar en contacto con el aire al enfriarse. El cemento Portland es, además, el ejemplo típico de un cemento hidráulico; fragua y desarrolla resistencias a la compresión como resultado de la hidratación, la cual involucra reacciones químicas entre el agua y los componentes presentes en el cemento. De todos los cementos, el Portland es el más importante en cuanto a términos de calidad, desarrollo de resistencia a la compresión, tensión y a los sulfatos; por lo cual es el material idóneo para las operaciones de cementación de pozos petroleros. Cabe mencionar que algunos cementos Portland se fabrican de manera especial debido a que las condiciones de los pozos difieren significativamente entre sí al variar su profundidad, temperatura, ubicación geográfica; etc. El fraguado y endurecimiento se presenta si el cemento se coloca en agua.

El cemento fraguado tiene baja permeabilidad y es insoluble en agua, de tal forma que expuesto a ésta no se destruyen sus propiedades. Tales atributos son esenciales para que un cemento obtenga y mantenga el aislamiento entre las zonas del subsuelo.

Principales compuestos del cemento y sus funciones. Las reacciones de carbonatos y arcillas producidas por la manufactura del cemento Portland, conduce a la formación de 4 principales productos, que incluyen cuatro distintas fases cristalinas:

• SILICATO TRICÁLCICO (3CaO∙SiO2) Habitualmente conocido como C3S, es el componente más abundante en la mayoría de los cementos y, además, el factor principal para producir la resistencia temprana o inmediata (1 a 28 días) Reacciona rápido con el agua, liberando calor y formando silicato de calcio hidratado (CSH). Generalmente, los cementos de alta consistencia inmediata contienen en mayor concentración este compuesto.

• SILICATO DICÁLCICO (2CaO∙SiO2) Conocido como C2S, es un compuesto de hidratación lenta para formar el mismo tipo de compuestos que el C3S (CSH), que proporciona una ganancia gradual de resistencia; esto ocurre en un período largo: después de 28 días.

• ALUMMINATO TRICÁLCICO (3CaO∙Al2O3) Se lo conoce también como C3A y tiene influencia en el tiempo de bombeabilidad de la lechada. Es responsable de la susceptibilidad al ataque químico de los sulfatos sobre los cementos. Esta susceptibilidad se clasifica en moderada y alta resistencia al ataque químico, cuando contienen este compuesto en un 8% y 3% respectivamente. Reacciona muy rápido y libera mucho calor al hidratarse. Contribuye a resistencia a muy temprana edad, pero poco a la resistencia final.

Los cementos resistentes a sulfatos deben limitar el contenido de este compuesto, lo que se logra añadiendo óxido férrico transformándolo en C4AF.

• ALUMINO FERRITA TETRACÁLCICO (4CaO∙Al2O3∙Fe2O3) También conocido como C4AF, reacciona rápido con el agua pero no produce mucho calor de hidratación y resistencia a la compresión; influye en la reología del cemento, formación de geles, y durabilidad.

La primera etapa en el proceso de producción de un cemento consiste en la selección de las materias primas de origen mineral o bien productos de deshecho. En general, puede servir cualquier material entre cuyos componentes principales figuren la cal, la sílice, la alúmina y el óxido de hierro. Las rocas calizas son materiales de alto contenido en carbonato de calcio, y son, por ello, ampliamente utilizadas como fuentes de cal en la fabricación del clínker.

Las materias primas son molidas y prehomogeneizadas para asegurar una composición química constante. Una vez seleccionadas y homogeneizadas, los materiales de partida son mezclados en proporciones adecuadas formándose lo que se denomina harina cruda o crudo. Un crudo típico está formado por 80% de caliza, 19% de arcillas, otros materiales correctores y 1% de corrector de Fe2O3. Casi el 75 % del total de la energía eléctrica que consume una fábrica de cemento, corresponde a los procesos de molienda. Los molinos de crudo suelen estar fabricados de aleaciones de alta dureza, por ejemplo de acero al manganeso, tanto el forro del molino como los cuerpos molturantes. Existen dos métodos para la preparación del crudo:

•Vía húmeda. Se prepara una pasta con las materias primas con contenidos de agua entre el 18 y 45%. •Vía seca. Los componentes se tratan por molienda en seco.

Estos procesos se diferencian principalmente en el balance térmico. Aunque el calor de formación de 1 kg de clínker, utilizando materias primas comunes, es de 1750 kJ aproximadamente y es independiente del proceso de fabricación del crudo escogido, existen otros efectos a tener en cuenta, como son, el calor retenido en el clínker en las cenizas del horno y en los gases de salida, pérdidas de calor por radiación o convección y en el proceso húmedo el calor necesario para evaporar el agua. Teniendo en cuenta estos efectos el balance es más favorable para el proceso vía seca, aunque el requerimiento de energía eléctrica es mayor, debido a las moliendas. El proceso vía húmeda tiene ciertas ventajas si las materias primas contienen altos porcentajes de agua, pero este método está actualmente en desuso.

Una vez molido y homogeneizado, el crudo es sometido a un proceso térmico tras el cual se transforma en clínker. Inicialmente el crudo es calentado por un sistema en el que se ponen en contacto el material molido y los gases calientes provenientes del horno. Un sistema típico es el intercambiador de ciclones. Posteriormente, el crudo precalentado se introduce al horno por uno de sus extremos y va avanzando lentamente hacia el extremo opuesto gracias al movimiento de rotación permanente al que está sometido el cilindro (1-4 r.p.m.) y a la ligera inclinación que posee (3-4 %). Estos hornos son cilindros de metal cuyo interior está forrado por un material cerámico-refractario. La mezcla avanza por el horno de clinkerización, hasta llegar al extremo opuesto a la entrada donde se alcanza temperatura máxima de 1450 °C, esta es la zona de clinkerización, produciéndose una serie de reacciones químicas, principalmente en la interfase sólido-líquido, que dan lugar al clínker Portland. El material se mantiene en esta zona de 10 a 15 min. Este proceso es el denominado clinkerización.

El proceso de clinkerización se puede estudiar en función de la temperatura. Entre 450 y 600 ºC se elimina el agua combinada en los aluminosilicatos de las arcillas. La descomposición de estos compuestos se da entre 700 y 1000 ºC. La descarbonatación de las calizas se da teórica y aproximadamente, a 900 ºC, pero la presencia de los productos de descomposición de las arcillas hacen que se produzca a temperaturas comprendidas entre 500 y 600 ºC, ya que reaccionan con el óxido de calcio. Por ello las primeras reacciones en estado sólido se dan entre 800 y 900 ºC, formándose los silicatos mono y dicálcicos, los aluminatos y los ferritoaluminatos cálcicos. A partir de 1250 ºC aparece una fase líquida rica en aluminatos y ferritos. Entre 1250 y 1450 ºC se da la clinkerización.

El clínker, que se obtiene en forma de nódulos (3-20 mm de diámetro), está en un estado semi-sólido en la zona de clinkerización y solidifica totalmente en el enfriamiento. Las reacciones que se producen en el enfriamiento son la cristalización de los aluminatos y los ferritoaluminatos cálcicos y las transformaciones polimórficas de los silicatos. El enfriamiento se produce con aire, que es reincorporado al tubo del horno como aire secundario de combustión. El aire primario de combustión es el proveniente del combustible, líquido o sólido pulverizado. El enfriamiento del clínker va a tener una gran influencia sobre la microestructura del material, sobre su composición mineralógica, su molturabilidad, etc.

BIBLIOGRAFIA

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Departamento de Química Inorgánica, Cristalografía y Mineralogía, Facultad de Ciencias. Universidad de Málaga. Málaga, 2003.

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA

QUÍMICA DEL ESTADO SÓLIDO

Noriega Madariaga Roberto

Quintanilla Serrano E. Arturo

CONDUCTORES SÓLIDOS IÓNICOS

Descripción clásica.

Si bien los sólidos cristalinos se diferencian de los sólidos amorfos por poseer un orden periódico con entidades (átomos,

iones o moléculas) ocupando posiciones específicas en una red tridimensional infinita (caso ideal), dicha sucesión

periódica no es perfecta, existen perturbaciones termodinámicamente estables que originan que las entidades o motivos se

acomoden en posiciones anormales en comparación con el arreglo cristalino ideal. Estas perturbaciones se denominan

defectos cristalinos y son los causantes de la gran diversidad de propiedades en los materiales: deformación plástica,

resistencia, color, difusión, entre otras.

Una consecuencia importante de los defectos en los sólidos cristalinos es la conductividad eléctrica. Se sabe que la

conductividad en los metales es posible debido a la deslocalización electrónica, en dónde las bandas de valencia y de

conducción del metal se superponen ocasionando una nube de electrones libres, pero en una estructura cristalina iónica, en

dónde los iones se encuentran ocupando posiciones específicas la conductividad dependerá del número de defectos

existentes en el material, pues solo si existe un número considerable de portadores de carga (iones) en posiciones fuera de

la red ideal, es posible la movilidad iónica y con esto la conductividad eléctrica.

De manera clásica, existen tres tipos de defectos: defectos puntuales, defectos en línea, y defectos de área. Dentro de los

defectos puntuales existen la vacancia de átomos (efecto Schottky), el fenómeno intersticial (efecto Frenkel) y el

fenómeno de átomos sustitucionales. La conductividad en los sólidos iónicos es debida a los dos primeros defectos, el

efecto Schottky y el efecto Frenkel, ambos ilustrados a continuación.

También es indispensable mencionar que el número de defectos en un sólido depende principalmente de la energía de

formación de dicho defecto (Ea) y de la temperatura (T) según la ecuación 1.

Es por eso que la conductividad en la mayoría de los sólidos iónicos no es apreciable sino hasta que se somete el material

a una alta temperatura, pues en dichas condiciones el número de defectos aumenta generando un mayor número de

vacantes en la red y por ende permitiendo mayor movilidad de iones. Tal es el caso del NaCl, que si bien presenta un

rango de conductividad muy bajo el fenómeno de conducción existe y se evidencía de mejor manera cuando el cristal se

somete a altas temperaturas favoreciendo la formación de vacantes intrínsecas de tipo Schottky (figura 1.a) que son

aquellas inherentes al material sólido, por otra parte si se añaden impurezas al cristal, es decir se forma una disolución

sólida de tipo Na1-2xCaxCl que se da por el fenómeno de vacancia sustitucional ( formación de vacantes extrínsecas)

Figura 1. a) Proceso Schottky, espacios vacíos en la red

debido a la migración de ambos tipos de iones a

posiciones arbitrarias en la red. En un cristal deben

generarse vacantes de ambos iones para mantener la

neutralidad en el sólido de forma estequiométrica.

b) Proceso Frenkel, este fenómeno ocurre cuando algún

ion migra específicamente a un hueco intersticial de la

red cristalina generando una vacante y un defecto en el

intersticio.

a) b)

𝑁𝑣 = 𝑁𝑒(−𝐸𝑎𝐾𝐵𝑇

) (1)

también se estará favoreciendo la conductividad eléctrica del material. Por motivos de radio

iónico, es el átomo de sodio quién migra a través de la red FCC de iones cloruro dejando

vacantes octaédricas (Frenkel).

Por otra parte, los sólidos conductores de tipo iónico se dividen en dos clases según su

conductividad: sólidos cristalinos (10-6

-10-2

Ω-1

m-1

) y electrolitos sólidos (10-1

-103 Ω

-1m

-1). Un

ejemplo para el primer caso son los haluros alcalinos, como el ya mencionado (NaCl).

Cuando se habla de electrolitos iónicos es inevitable mencionar a la β-alúmina (Al2O3 - x

Na2O), un óxido ternario identificado por primera vez como una forma alotrópica de la

alúmina en 1916, pero no fue sino hasta la década de los 70s que se denominó como el

material “estrella”, debido a que su forma bidimensional conformada por capas delgadas

paralelas de alúmina (figura 2) le permitía una actividad conductora sobresaliente de entre los

materiales iónicos convencionales (1,4x10-2

Scm-1

a 25ºC). Otra característica estructural

importante de las β-alúminas es que difícilmente presentan una estequiometria exacta,

contribuyendo a las altas movilidades iónicas por las que es tan valorado el material. Es

precisamente un átomo de sodio quien se encarga de la formación de vacantes en la red

cristalina.

Si bien la β-alúmina inició una nueva rama de investigación hacía los súper conductores iónicos, pese a su buena

movilidad iónica y estabilidad química los investigadores de los años 80s no vieron más futuro en él, ante el surgimiento

de nuevos materiales como el NAISICON, material que incluso competía en conductividad con los conductores en

disolución.

Aplicaciones.

1. Baterías (celda electroquímica): La razón por la que las baterías de estado sólido son potencialmente útiles es que

pueden funcionar en un amplio rango de temperatura, tienen una larga vida útil y es posible fabricarlas de manera

que sean extremadamente pequeñas. Ahora se pueden hacer baterías recargables ligeras para dar suficiente

energía para mantener los teléfonos móviles durante varios días y las computadoras portátiles durante varias

horas. Se utilizan para fuentes de alimentación de respaldo y pueden eventualmente volverse útiles como fuentes

alternativas de combustible para impulsar automóviles (ej. baterías de litio, de sodio).

2. Celdas de combustible: Las celdas de combustible se están desarrollando intensivamente ya que tienen el

potencial de proporcionar energía de una manera relativamente no contaminante. Los desarrollos actuales ahora

incluyen no solo autobuses y automóviles impulsados por celdas de combustible, sino también fuentes de energía

para hogares y fábricas. Celdas de microcombustible para celulares y laptops (e.g. Celdas de combustible de

óxido sólido (SOFCs), Celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM)).

3. Sensores: Los medidores de oxígeno encuentran usos industriales en la detección de oxígeno en gases residuales

de chimeneas o tubos de escape, en la investigación del funcionamiento de hornos y en la medición del contenido

de oxígeno en metales fundidos durante el proceso de producción. Este mismo principio se ha empleado en el

desarrollo de sensores para otros gases utilizando diferentes electrolitos. Los ejemplos incluyen H2, F2, Cl2, CO2,

SOx y NOx.

4. Dispositivos electrocrómicos: Los dispositivos electrocrómicos funcionan en sentido opuesto a una celda

electroquímica: en lugar de aprovechar la reacción química entre los electrodos para generar una corriente

eléctrica, se aplica una corriente eléctrica a la celda, lo que provoca el movimiento de los iones a través del

electrolito y crea un compuesto coloreado. Esto ofrece la posibilidad de fabricar dispositivos "inteligentes"

interesantes, como ventanas, que pueden cambiar de incoloro a color para controlar la temperatura en edificios y

automóviles.

Bibliografía.

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Y.F.Y. Yao, J.T. Kummer J. Inorg. Nucl. Chem., 29 (1967), p. 2453.

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Figura 2. Estructura

de la β-alúmina.

Cuasicristales Padilla Herrera Moises Alejandro & Ruiz Ayala Elizabeth Lorena Facultad de Química. Universidad Nacional Autónoma de México. Ciudad Universitaria. 14/Noviembre/2018

En el 2011 el premio Nobel de química fue otorgado a Dr. Daniel Shechtman por el descubrimiento de un tipo de cristales que no cumplen con algunos principios formulados por la ciencia cristalografíca. Shechtman en 1982 encontró una aleación de Al y Mn que tenía aparentemente una simetría de orden cinco, prohibida en cristalografía el cual gracias al patrón de difracción de electrones logró reflejar la simetría de la sustancia.

Figura 1. Patron de difraccion de electrones en una muestra de Al-Mn que tiene la simetría de orden cinco(3). Los cuasicristales son una nueva forma de la materia condensada, que se podrían describir como un estado intermedio entre vidrios y cristales. Su estructura, a escala atómica de largo alcance, no es desordenada, como la de los vidrios o la de los líquidos, ni tampoco está compuesta por una translación de celdas unitarias. Al igual que los cristales poseen un orden rotacional de largo alcance, en su diagrama de difracción no varía ante rotaciones de determinados ángulos pero no poseen un orden de traslación por lo que su estructura no puede explicarse por las reglas de la cristalografía

clásica. Son sólidos con un ordenamiento de tipo cuasiperiódico.

Figura 2. Forma en que se puede llenar todo el plano con figuras que tiene la simetría de orden cinco(3). Desde el punto de vista termodinámico, los cuasicristales son un estado que se encuentran entre el cristalino y el estado vítreo cuya formación contiene ambas características mencionadas. Algunos estudios determinan que al someter elementos raros al impacto de un gran choque se pueden producir los cuasicristales. Los cuasicristales naturales se cree que se formaron en cuerpos rocosos del cinturón de asteroides y llegaron a la tierra al caer como meteoritos. Los cuasicristales se forman igual que los vidrios y se producen estructuras relativamente comunes en aleaciones con metales como el Co, Fe y Ni, generalmente, al enfriar líquidos por debajo de sus punto de fusión y a una tasa de enfriamiento alta. El enfriamiento es rápido de manera que los átomos no tienen tiempo de acceder a las posiciones de equilibrio correspondientes a los sólidos cristalinos comunes. La tasa de enfriamiento es insuficiente para impedir la cristalización “común” del material y a diferencia de los vidrios existe un calor latente en la transición del líquido haciendo que las propiedades de los cuasicristales sean variadas. Las características físicas que presentan son: altos valores de dureza, aunque muy baja

tenacidad, y muy bajos coeficientes de fricción. Han demostrado ser resistentes a la corrosión y a la oxidación y presentan muy bajas conductividades, tanto térmica como eléctrica, respecto a los materiales metálicos convencionales, siendo similares a las de los óxidos aislantes(1). La fragilidad es un inconveniente, pero está se puede solucionar si se utilizan capas de cuasicristales como recubrimientos que pueden ser preparados por medio de técnicas estándares como atomización y plasmar rociado. Desde su descubrimiento por Shechtman de la aleacion Al-Mn obtenida por solidificación rápida, se han encontrado a lo largo del tiempo cuasicristales con diferentes simetrías de rotación y en diferentes tipos de sistemas .El cuasicristal puede ser visto como un cristal con un parámetro de red infinitamente grande o con espacios icosaedrales indefinidamente grandes. Los elementos de simetría más comunes son los llamados icosaédricos(2).

Figura 3. Cuasicristal icosaédrico de Al68Pd22Mn10 tomada perpendicular a uno de sus ejes de simetría pentagonal(4). Similares al material de Shechtman se han descubierto cuasicristales como las aleaciones de:

Al-Li-Cu Al-Fe-Cu Al-Ni-Co Al-Cu-Co Al-Pd-Mn.

La fabricación en volumen de los cuasicristales es extremadamente dificultosa(3), debido a

características propias de la particular simetría de su estructura y al requerimiento de condiciones de enfriamiento rápido. Actualmente los cuasicristales tienen más aplicaciones en múltiples áreas como lo son en recubrimientos aislantes de piezas de automóviles y aviones, materiales quirúrgicos, biomateriales, turbinas, motores de misiles, material adsorbente, equipos electrónicos y equipos de almacenamiento de hidrógeno, entre otras, motivo por el cual se están explorando diferentes aplicaciones de los mismos. Ya se utilizan aleaciones metálicas cuasicristalinas en algunos productos comerciales como revestimiento para sartenes y en materiales transparentes cotidianos, como ventanas, pantallas aislantes, placas solares, etc, lo cual es muy útil en construcción de edificios al no perder luminosidad y aprovechar la energía más eficientemente.

Figura 4. cuasicristal encontrado en Rusia el cual tiene origen extraterrestre. Evidentemente imperfecto(5) . Referencias (1) ARCHAMBAULT, P. y JANOT, C, MRS Bull. 22, (11), 1997: 48. (2) SHECHTMAN D., BLECH, L, GRATIAS y D. CAHN, J. Phys. Rev. Lett. 53, 1984: 1951. (3) Braun, Eliezer, Caos, fractales y cosas raras/Eliezer Braun—3ª ed. - - México : FCE, SEP, CONACyT, 2003, pp 86, 87. (4) Martin Martinez Ripoll, Cristalografía, Consejo superior de investigaciones científicas , Madrid, 1995, pp 312. (5)Z.Papadopolos, J Phys. Conf. Ser. 226, 0.12003

Baterías de litio

Corrales López Genaro Ismael Verde Leyva Cristian Daniel

En la era temprana de las células de litio, se utilizaron calcogenuros metálicos y óxidos de manganeso y vanadio como electrodo positivo para emparejarse con el Li metálico o el ánodo de grafito. La introducción de materiales de alta capacidad de almacenamiento de litio como las aleaciones de Sn/Si y los óxidos de metales de transición ha fomentado el desarrollo de baterías de alta energía. Recientemente se ha centrado el interés en los compuestos de polianión, en particular , iF eP OL 4 que potencialmente permite un bajo costo y mejoras en la seguridad. La comercialización de baterías de litio recargables se ha visto obstaculizada por la reversibilidad inferior y la poca seguridad del ánodo de litio metálico, esto debido a la alta reactividad del litio con el electrolito y el crecimiento de dendritas en el proceso de carga. Litio El litio tiene una densidad más baja y que de todos los metales conocidos (0.53g/mL), al igual que los metales alcalinos el litio reacciona con el oxígeno del aire, además el litio tiene el potencial de reducción estándar más bajo de todos los elementos.

(ac) + ē → Li (s) = -3.05 VLi + Eº El metal mismo libera más energía que cualquier otro elemento cuando se oxida a su ion (+ 3.05V) .

Se extrae a partir del LiCl en un proceso de electrólisis análogo. El LiCl se obtiene del espodumeno. Se utiliza en la fabricación de aleaciones y en determinados vidrios. Funcionamiento Batería de ion litio

, compuesto mayor comercializado, a pesarLiCoO2 de tener una alta capacidad teórica (274 mAh g−1

suponiendo una extracción completa de Li), su capacidad prácticamente se reducía a la mitad debido a la degradación de la estabilidad estructural de las fases pobres en litio que son propensas a causar la descomposición del electrolito. La batería de iones litio tiene un potencial de célula de 3.6 V y consiste en un electrodo positivo de

separado de un electrodo de grafito por unLiCoO2 electrolito sólido a través del cual pueden migrar los iones cuando se carga la célula. Los iones Li+ Li+

están intercalados en el grafito y vuelven al electrodo de cuando la célula se descarga. La reacción LiCoO2 de la célula puede representarse de la siguiente manera.

6 C (graf ito) ↔ LiC LiCoO2 + 6 + CoO2

Imagen 1. Schematic illustrations of a) Li-ion batteries, b) Li0 anode/intercalation-type cathode batteries. En Electrolyte Additives for Lithium Metal Anodes and Rechargeable Lithium Metal Batteries: Progress and Perspectives. https://doi.org/10.1002/anie.201712702 El factor decisivo en esta batería es que ambos electrodos pueden actuar como hospedadores para los iones y el sistema se ha denominado célula Li+ “mecedora”. La desventajas del alto costo y toxicidad junto con la limitada abundancia de cobalto llevaron a la búsqueda de materiales, junto con soluciones sólidas, alternativos para el cátodo. El presenta una estructura tipo olivino, es iF eP OL 4 un compuesto polianión con forma

.M (XO ) (M etal; X , , i, Mo, )Lix y 4 z = m = P S S W Es un material de cátodo muy importante en las baterías de ión litio, presenta algunas ventajas como la larga vida útil, una naturaleza limpia y abundante de fosfato, una capacidad gravimétrica relativamente alta (170 mAh , la reversibilidad favorable de )g−1 almacenamiento de litio y mejora en cuestiones de seguridad. El potencial de del hierro fosfato de litio (3.4V vs Li/ ) permanece estable como resultado Li+ de la diferencia de potencial químico constante entre las composiciones cercanas al y a iF eP OL 4

eP OF 4−

iF eP O F eP OL 4 → Li+ + 4−

El rendimiento de este material se ve comprometido por un problema intrínseco del compuesto, la baja conductividad electrónica ( y Scm )10−9 − 10−10 −1 una baja difusión de litio , por 10 cm s )( −10 − 10−16 2 −1 lo cual se han buscado soluciones que puedan solucionar estos problemas. Reducir el tamaño de las partículas a tamaño nanométrico resulta eficiente porque se reduce el tamaño de la distancia de transporte iónico. También se ha optado por el recubrimiento del con un material iF eP OL 4 conductor en su forma electrónica o iónica. Un

ejemplo de esto es la combinación con grafeno, que es efectiva para el aumento de la conductividad eléctrica al disminuir la resistencia y proporcionar un rápido transporte de electrones. Otra celda de litio interesante es media celda de litio y un electrolito acuoso, solución de nitrato de litio. Para evitar que el litio metálico reaccione con el agua, los átomos de litio se forman dentro de los huecos de una red de óxido de metal. Esta intersección de un átomo “huésped” en un sólido “anfitrión”, proceso que solo va acompañado de cambios pequeños y reversibles en la estructura, se denomina intercalación, y el producto resultante se llama compuesto de intercalación. En este entorno el potencial de reducción del litio se altera drásticamente respecto al que prevalece en condiciones “normales”

+ ē ⟶ Li (s) = -3.0 V(ac)Li+ Eº El potencial de reducción de esta semirreacción “normal” depende de la identidad del óxido del metal. Por ejemplo, los átomos de litio que se forman dentro de una red de óxido de vanadio (IV) tienen un potencial de reducción positivo, mientras que los que se forman dentro de una red de óxido de manganeso (IV) tienen un potencial de reducción ligeramente negativo:

+ ē⟶ Li( Eº= -0.5 V(ac)Li+ ) V O2 + ē ⟶ Li ( Eº=+1.0 V(ac)Li+ O )Mn2 4

Esta diferencia de potencial de 1.5 V entre los dos entornos del litio es el origen de la energía de celda. Durante la descarga de la celda ocurren las siguientes reacciones Li( ⟶ + ē Eº= +0.5 V) V O2 (ac)Li+

+ ē ⟶ Li ( Eº=+1.0 V(ac)Li+ O )Mn2 4 El recargado de la batería hace que ocurran las reacciones inversas.

Aplicaciones El uso industrial de mayor volumen de litio es en las

grasas de litio, más del 60% de todas las grasas para automóviles contiene litio.El compuesto que se usa es el estearato de litio. Las baterías de ion-litio son muy utilizadas para el almacenamiento de energía en aparatos electrónicos, como celulares, computadores portátiles, tablets, agendas portátiles. Mientras que el tamaño compacto de algunas baterías de ferrofosfato de litio y la seguridad que estas tienen son utilizadas para almacenar y dar energía a nuevos tipos de autos híbridos y eléctricos. En el reciclaje de las baterías de litio irónicamente el litio es el que se desecha de estas, los metales que se extraen de estas es el cobalto. El cobalto se utiliza en las baterías de ion litio, de donde luego se extrae en forma de óxido de cobalto y litio. Esto se debe a que el precio del litio es más bajo que el de cobalto (6 euros por kilo para litio y 19 euros por kilo para cobalto aproximadamente). Debido al bajo precio de litio, que se espera se mantenga estable gracias a los nuevos yacimientos encontrados recientemente, su recuperación de las baterías usadas no supone un aliciente empresarial, dejándolo como un simple relleno para el hormigón imposibilitando de esta manera su futura recuperación y utilización. Bibliografía Fangyi C., Jing L., Zhanliang T. & Jun C., (2011). ChemInform Abstract: Functional Materials for Rechargeable Batteries, ChemInform, 42, 24,. Zhang S. S. (2018) Problem, Status, and Possible Solution for Lithium Metal Anode of Rechargeable Batteries. ASC Appl. Energy Mater. 1, 910-120. Yibiao G., Jinran S., Xufang W., Qizhen Z., Xiaohui Z., Shuqin Z. & Bin X.(2019). LiFePO4/activated carbon/graphene composite with capacitive-battery characteristics for superior high-rate lithium-ion storage. Electrochimica Acta. volumen(294). 148-155. Chatherine. E. Housecroft & Alan Sharpe. Química Inorgánica 2006. México. Pearson Geoff Rayner-Canham. (2000). Química Inorgánica Descriptiva. México: Pearson. https://www.motorpasion.com/coches-hibridos-alternativos/el-reciclado-de-las-baterias-de-litio-un-negocio-rentable-en-el-que-se-desecha-el-litio