LA NUEVA PROMESA DE LOS SMARTPHONES

El nuevo LG G Flex presenta, como explicamos en la presentación, un sistema de auto-reparado único en la industria de telefonía actualmente. En el siguiente vídeo se pueden observar las diferentes pruebas de resistencia que se le han realizado a dicho smartphone.

Por Diego Gómez Jerez

Aplicación de nanotubos de carbono en medicina

Por: Juan Manuel Liñán Barroso

                Los nanotubos de carbono se plantean como una promesa revolucionaria en medicina.

Aunque todavía no hay aplicaciones reales, el esfuerzo investigador en esta área es muy grande dado el enorme potencial que poseen para realizar diferentes funciones.

En el artículo “Carbon nanotubes for biomedical applications” puede leerse una interesante exposición de distintas aplicaciones médicas de los nanotubos de carbono.

Destacamos las siguientes:

· Liberación de fármacos:

Medicinas encapsuladas en el interior de nanotubos de carbono podrían ser ingeridas y transportadas a través del torrente sanguíneo hasta el punto donde tienen que ser administradas. Además de conseguir así gran efectividad en los medicamentos, se evitarían los efectos secundarios presentes en la mayoría de los fármacos que tomamos actualmente, mejorando la calidad de vida de personas sometidas a agresivos tratamientos contra ciertas enfermedades como el cáncer.

· Los nanotubos de carbono son sustancias adecuadas para ser portadores de fármacos porque no interaccionarían con éste, conservando por tanto su integridad, son suficientemente resistentes como para no ser alterados durante el tránsito por el interior del cuerpo y por el hecho de estar formados por carbono, sustancia básica en el cuerpo humano, es de esperar que sean totalmente biocompatibles y que pudieran descomponerse y excretarse después de liberar el fármaco. Además, hay estudios que demuestran que el reducido tamaño de los nanotubos de carbono los capacita para penetrar en el interior de las células, requisito necesario para esta aplicación.

· Diagnóstico por imagen: Resonancia magnética. Sólo algunas sustancias presentes en el organismo tienen las propiedades magnéticas adecuadas para emitir las señales que proporcionan información sobre el órgano o tejido que se quiere estudiar. Entre ellas está el carbono-13, pero su concentración es insuficiente. Normalmente se suministra desde el exterior constituyendo lo que se denomina “contraste”, sustancia que se administra al paciente en el momento de realizar la prueba. Los nanotubos de carbono podrían ser utilizados como portadores de carbono-13, como se detalla en la patente “Magnetic resonance imaging (mri) agents: water soluble carbon-13 enriched fullerene and carbon nanotubes for use with dynamic nuclear polarization”.

· Sistemas de vídeo miniaturizados. Los nanotubos de carbono también podrían transportar en su interior pequeños sistemas de vídeo de tamaño nanoscópico. Se podría así llegar a zonas de difícil acceso en el organismo simplemente mediante la ingestión de una píldora.

· Prótesis: Andamiajes para regeneración ósea. En el artículo “A Bone Mimic Based on the Self-Assembly of Hydroxyapatite on Chemically Functionalized Single-Walled Carbon Nanotubes se refleja el trabajo que, sobre este tema, se está llevando a cabo en el Centro de Neurociencias de la Universidad de California. Los tejidos óseos son unos compuestos naturales de fibras de colágeno e hidroxiapatitacristalina. Se ha demostrado que los nanotubos de carbono pueden imitar el rol del colágeno como soporte para inducir el crecimiento de los cristales de hidroxiapatita. Tratando químicamente los nanotubos, sería posible atraer los iones de calcio y promover así el proceso de cristalización. Los nanotubos sustituirían a los materiales que se utilizan actualmente para este proceso aportando mayor resistencia, flexibilidad y biocompatibilidad.

· Neuroprótesis visuales. El Centro Nacional de Microelectrónica del CSIC junto con la Universidad Autónoma de Barcelona y la Universidad Miguel Hernández investigan la posible sustitución de electrodos de platino por electrodos de nanotubos de carbono en prótesis visuales que estimularían las partes dañadas del cerebro encargadas de la visión. Así, aparte de la biocompatibilidad de los nanotubos, dado el pequeño tamaño de éstos podría ponerse un número mucho mayor que en el caso de los electrodos de platino usados actualmente.

· Músculos artificiales. Los nanotubos de carbono presentan electroestrictividad. NEMS. Esto los hace aptos para ser utilizados como actuadores y, por tanto, como potenciales componentes de músculos artificiales.

· Desarrollo y prueba de nuevos medicamentos:

La funcionalización de los nanotubos de carbono permitirá su uso en el desarrollo de nuevos medicamentos.

· Por otro lado utilizándolos como sensores (ver apartado 2.2. Sensores) podrán emplearse en las pruebas y el seguimiento de nuevos fármacos por el interior del organismo.

· Cirugía:

Los nanotubos de carbono podrían utilizarse como sensores para desarrollar material quirúrgico inteligente. Esto podría aplicarse a instrumental existente actualmente, pero también podría pensarse en nano-instrumental basado en nano-robots que serían manejados desde el exterior mediante un joystick y que recorrerían el cuerpo del paciente realizando cirugía a nivel celular. También en la construcción de estos nano-robots podrían estar implicados los nanotubos de carbono.

ACERO

-Definición:

Según la norma UNE 36-004 es la siguiente:

"Material en el que el hierro es predominante y cuyo contenido en carbono es, generalmente, inferior al 2% y contiene otros elementos. Aunque un limitado número de aceros puede tener contenidos en carbono superiores al 2% este es el límite habitual que separa el acero de la fundición".

-Estructura molecular

El acero es una estructura cristalina de moléculas de hierro intercaladas con moléculas de carbono, cuyo nombre correcto es "cementita". La dureza y maleabilidad del acero depende no sólo del contenido de carbono, sino de cómo se unen sus moléculas unas con otras. Las tensiones internas en la estructura cristalina del acero aumentarán o disminuirán dependiendo de la temperatura a la que está sujeto y la velocidad a la que es enfriado el acero líquido.

-Características de los aceros.

Alta resistencia mecánica: Los aceros son materiales con alta resistencia mecánica al someterlos a esfuerzos de tracción y compresión y lo soportan por la contribución química que tienen los aceros. Por medio de los ensayos de laboratorio se determina la resistencia a tracción y a compresión evaluando su límite elástico y el esfuerzo de rotura.

Elasticidad: La elasticidad de los aceros es muy alta, en un ensayo de tracción del acero al estirarse antes de llegar a su límite elástico vuelve a su condición original.

Soldabilidad: Es un material que se puede unir por medio de soldadura y gracias a esto se pueden componer una serie de estructuras con piezas rectas.

Ductilidad: Los aceros tienen una alta capacidad para trabajarlos, doblarlos y torcerlos.

Forjabilidad: Significa que al calentarse y al darle martillazos se les puede dar cualquier forma deseada.

Trabajabilidad: Se pueden cortar y perforar a pesar de que es muy resistente y aun así siguen manteniendo su eficacia.

-Orígenes del acero.

Nuestros antepasados metalúrgicos se las ingeniaron para producir la "reducción directa" del mineral que contenía el hierro, rodeándolo totalmente de carbón de leña y provocando la combustión de este último.

Los métodos rudimentarios de que disponían para activar la combustión, no permitían lógicamente obtener una temperatura lo suficientemente elevada para fundir el metal. En su lugar, obtenían una masa esponjosa, pastosa, mezcla de hierro y escoria, que había que martillear repetidamente al rojo vivo, para eliminar la escoria e impurezas. Estos martilleos, además, lo endurecían, consiguiendo así barras de hierro forjado resistente y maleable, que no eran otra cosa que un tipo primitivo del acero.

Más tarde conseguirían pasar el mineral a la forma líquida ("hierro colado") con la combustión del carbono vegetal. Para llegar al acero que ahora conocemos, hubo que sustituir el carbono vegetal por el coque, aumentar (progresivamente) las alturas de los hornos y aumentar la ventilación para avivar la combustión.

-Fabricación del acero.

Para poder producir acero, las industrias generalmente utilizan uno de dos procesos, cada proceso utiliza diferentes materiales y tecnología. Estos dos procesos principales para hacer acero son:

-          El horno de oxígeno básico (BOF, por sus siglas en inglés Basic Oxygen Furnace)

-          El horno de arco eléctrico (EAF, por sus siglas en inglés Electric Arc Furnace)

El proceso de Horno de Oxígeno Básico básicamente funde hierro rico en carbono que se transforma en acero, su proceso se distingue por los siguientes pasos:

El hierro es fundido en un horno, posteriormente es vertido en un contenedor grande para realizarle un pre-tratamiento llamado contenedor BOF.

Este pre- tratamiento consiste en tratar al metal para reducir la carga de azufre, silicio y fósforo. La cantidad de impurezas que se quita del metal determina la calidad final del acero fabricado.

El proceso BOF se distingue por hacer uso de hierro viejo para fabricar acero nuevo, así que es necesario balancear la carga del acero nuevo con hierro viejo, se hace en una proporción aproximada de 50% de cada tipo de metal.

Una vez en el contenedor, se le inyecta oxigeno 99% puro dentro del acero y hierro, se quema el carbono disolviéndose en el acero para formar monóxido de carbono y dióxido de carbono, causando que la temperatura suba cerca de los 1700°C. Cuando es fundido, el metal reduce su contenido de carbono y ayuda a remover los indeseados elementos químicos. Este es el uso del oxígeno es este proceso.

Se mezcla cal viva o dolomita para formar un tipo de residuo que absorbe las impurezas en el proceso de fabricación del acero

El recipiente de BOS se inclina de nuevo y el acero se vierte en un cazo gigante. El acero se refina en este horno, mediante la adición de productos de aleación para dar a las propiedades de aceros especiales requeridos por el cliente. A veces, argón o nitrógeno gaseoso. El acero ahora contiene 0.1-1% de carbono. Cuanto más carbono en el acero, más duro es, pero también es más frágil y menos flexible.

Después el acero se retira del recipiente de BOS, los residuos llena de impurezas, se separan y enfrían.

Este proceso para realizar el acero constituye en 40% de fabricación de acero en Estados Unidos

En el del proceso de Horno de Arco Eléctrico básicamente se hace uso de la electricidad para fabricar acero a partir de casi  el 100% de acero viejo para fabricar acero nuevo. El proceso consiste en los siguientes pasos:

Los residuos de metal son colocados en un contenedor el cual se compone por residuos de chatarra de autos, línea blanca y con hierro fundido para mantener el equilibrio químico.

La chatarra es colocada en una cesta donde se realiza un pre-calentamiento y será llevada al horno  EAF donde se dejará caer esta chatarra. Es generada una gran cantidad de energía a la hora de dejar caer la chatarra en el horno EAF.

Una vez cargado el horno con la chatarra de metal se colocan unos electrodos que serán alimentados de electricidad por el horno de arco que permitirán triturar el metal empezando por la parte superior, voltajes inferiores son seleccionados para esta primera parte de la operación para proteger el techo y las paredes del calor excesivo y daño de los arcos eléctricos. Una vez que los electrodos han llegado a la gran fusión en la base del horno y los arcos están protegidos por la chatarra de metal, el voltaje se puede aumentar. Esto permite  que se funda más rápido el metal.

Una parte importante de la producción de acero es la formación de escoria, que flota en la superficie del acero fundido. Esta escoria por lo general consiste de metales óxidos, y  ayudan a quitar las impurezas del metal.

Una vez hecho este primer proceso de fundición puede volver se a cargar el horno y fundirse, después de este proceso se puede revisar y corregir la composición química del acero. Con la formación de escoria se pueden eliminar las impurezas de silicio, azufre, fósforo, aluminio, magnesio y calcio. La eliminación de carbono tiene lugar después de que estos elementos se han quemado, ya que tienen mayor afinidad al oxígeno. Los metales que tiene una afinidad más pobre de oxígeno que el hierro, tales como el níquel y cobre, no se pueden quitar a través de la oxidación y  debe ser controlado a través del tratamiento químico solo de la chatarra.

Una vez que la temperatura y la química son correctas, el acero se extrae en un cazo pre-calentado a través de la inclinación del horno. Para algunos tipos de acero especiales, incluyendo el acero inoxidable, la escoria se vierte en el contenedor, así, para ser tratado en el horno para recuperar los valiosos elementos de aleación.

Actualmente el proceso de fabricación del acero por medio de EAF representa un 60% de la fabricación en Estados Unidos.

-Acero inoxidable.

Estos aceros contienen cromo, níquel, y otros elementos de aleación que los mantiene brillantes y resistentes a la oxidación. Algunos aceros inoxidables son muy duros y otros muy resistentes, manteniendo esa resistencia durante mucho tiempo a temperaturas extremas. Debido a su brillo, los arquitectos lo emplean mucho con fines decorativos. También se emplean mucho para tuberías, depósitos de petróleo y productos químicos por su resistencia a la oxidación y para la fabricación de instrumentos quirúrgicos o sustitución de huesos porque resiste a la acción de los fluidos corporales. Además se usa para la fabricación de útiles de cocina, como pucheros, gracias a que no oscurece alimentos y es fácil de limpiar.

-Usos y aplicaciones:

·         Edificación: Estructuras, Carpintería, Escaleras, Barandillas, Vallados, Condiciones, Andamios.

·         Instalaciones industriales: Naves, Estructuras, Depósitos y Tuberías.

·         Grandes estructuras: Puentes, Túneles, Torres y Mástiles.

·         Automoción: Chasis, Carrocerías y Piezas Diversas de Automóviles y Camiones.

·         Armaduras galvanizadas

·         Para hormigón: Estructura, Construcciones Portuarias, Tableros de Puentes, Paneles de Fachada, Prefabricados de Hormigón.

·         Agricultura y ganadería: Invernaderos, Silos, Almacenes, Establos y Corrales, Instalaciones Avícolas, Cercados y Equipos de Irrigación.

·         Equipaciones de carretera: Pasarelas, Pórticos de Señalización, Barreras de Seguridad, Pantallas Acústicas, Parapetos.

·         Elementos de unión: Tortillería, Clavos, Fijaciones y Accesorios de Tuberías.

·         Mobiliario urbano: Farolas, Semáforos, Contenedores, Marquesinas, Bancos, Instalaciones para Parques y Jardines.

·         Electricidad y telecomunicaciones: Torres y Subestaciones Eléctricas, Antenas de Telefonía, Repetidores de Televisión.

·         Transporte: Catenarias de Ferrocarril, Estaciones, Terminales, Embarcaderos, Almacenes e Instalaciones Auxiliares, Construcción Naval.

     JUAN MORÓN VÍLÁN

FIBRA DE CARBONO

-Definición

La fibra de carbono es una fibra sintética constituida por finos filamentos de 5–10 μm de diámetro y compuesto principalmente por carbono. Cada filamento de carbono es la unión de muchas miles de fibras de carbono. Se trata de una fibra sintética porque se fabrica a partir del poliacrilonitrilo.

-Estructura

La estructura atómica de la fibra de carbono consistente en láminas de átomos de carbono ordenados en un patrón regular hexagonal. La fibra de carbono es un material amorfo: las láminas de átomos de carbono se colocan al azar, apretadas o juntas. Esta integración de las láminas de carbono es responsable de su alta resistencia.

-Propiedades

Las propiedades principales de este material compuesto son:

•          Muy elevada resistencia mecánica, con un módulo de elasticidad elevado.
•          Baja densidad.
•          Elevado precio de producción.
•         Resistencia a agentes externos.
•          Gran capacidad de aislamiento térmico.
•          Resistencia a las variaciones de temperatura.

-Proceso de fabricación

Cada filamento de carbono es producido a partir de un polímero precursor. El polímero precursor es comúnmente rayón, poliacrilonitrilo (PAN) o una resina derivada del petróleo. Para los polímeros sintéticos como el rayón o el PAN, el precursor es primeramente hilado en filamentos, mediante procesos químicos y mecánicos para alinear los átomos de polímero para mejorar las propiedades físicas finales de la fibra de carbono obtenida. Las composiciones de precursores y de los procesos mecánicos utilizados durante el hilado pueden variar entre los fabricantes. Normalmente se mezcla el PAN con algo de metil acrilato, metil metacrilato, vinil acetato y cloruro de vinilo. Después de embutición o hilatura en húmedo (a veces también se emplea la técnica de hilado fundido), las fibras de polímero se calientan para eliminar los átomos que no sean de carbono (carbonización), produciendo la fibra de carbono final. Las fibras de carbono pueden ser sometidos a un tratamiento de mejorar las cualidades de manejo, luego son enrolladas en bobinas. Las bobinas se utilizan para suministrar a máquinas que producen hilos de fibra de carbono o tejido.

Un método común de la fabricación consiste en calentar los filamentos PAN en una atmósfera con aire (oxidación) a aproximadamente 300°C, que rompe muchos de los enlaces de hidrógeno y oxida la materia. El PAN oxidado se coloca en un horno que tiene una atmósfera inerte de un gas como el argón, y se calienta a aproximadamente 2000°C, lo que induce a la grafitización del material, cambiando la los enlaces de la estructura molecular. Cuando se calienta en las condiciones adecuadas, estas cadenas se unen una al lado de la otra, formando estrechas láminas de grafeno que con el tiempo se unen para formar un solo filamento cilíndrico. El resultado es generalmente 93-95% de carbono. Una baja calidad de fibra se pueden fabricar con brea de mesofase o rayón como precursor en lugar de PAN. Al material obtenido se le pueden variar algunas de sus propiedades, confiriéndoles alto módulo, o alta resistencia, mediante procesos de tratamiento térmico. El material que ha sido calentado de 1500 a 2000ºC (carbonización) exhibe la mayor resistencia a la tracción (820.000 psi , 5.650 MPa o N/mm²), mientras que la fibra de carbono calentada de 2500 hasta 3000°C (grafitización) muestra un alto módulo de elasticidad (77.000.000 psi o 531 GPa o 531 kN/mm²).

-Uso y aplicaciones

Tiene muchas aplicaciones en la industria aeronáutica y automovilística, al igual que en barcos y en bicicletas, donde sus propiedades mecánicas y ligereza son muy importantes. También se está haciendo cada vez más común en otros artículos de consumo como patines en línea, raquetas de tenis, edificios, ordenadores portátiles, trípodes y cañas de pescar e incluso en joyería entre otra amplia gama de componentes donde es necesario un material ligero y de alta resistencia.

JUAN MORÓN VILÁN

GRAFENO, GRAFENO ARTIFICIAL Y GRAFINO.

GRAFENO . 

El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en un patrón regular hexagonal similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor.

-Estructura atómica

Es un alótropo del carbono, un teselado hexagonal plano (como panal de abeja) formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se generan a partir de la superposición de los híbridos sp2 de los carbonos enlazados.

-Propiedades

Entre las propiedades destacadas de este material se incluyen:
Es muy flexible, transparente, posee gran conductividad térmica y eléctrica. Tiene gran elasticidad y muy alta dureza (200 veces mayor que la del acero). Gran ligereza, como la fibra de carbono, pero más flexible. Menor efecto Joule (se calienta menos al conducir los electrones).
Consume poca electricidad y además genera electricidad al ser alcanzado por la luz. Y por ultimo es autorreparable.

GRAFENO ARTIFICIAL.

Un nuevo material a base de moléculas de óxido de carbono posicionadas con un extremado nivel de control ofrece las singulares cualidades del grafeno.

GRAFINO.

El grafino es capaz de conducir los electrones a gran velocidad, pero en una única dirección, dicha propiedad podría aprovecharse para diseñar transistores y otros componentes electrónicos mucho más rápidos que los actuales. En el caso del grafino los enlaces son dobles o triples, y la estructura resultante no es siempre hexagonal, por lo que existen muchos tipos de grafino posibles. En el 6, 6, 12-grafino, se han encontrado los conos de Dirac, que hace que los electrones que circulan a través del grafino se comporten como si no tuvieran masa.

JUAN MORÓN VILÁN

‘’Coal-to-liquid’’ Un nuevo combustible más limpio a partir del carbón

La conversión del carbono en un combustible líquido, proceso denominado del inglés ‘’coal to liquid’’, permite la utilización del carbón como un combustible alternativo. Se puede obtener de dos formas:

•         Licuefacción directa, donde se disuelve el carbón con un disolvente a gran presión y temperatura. Este proceso es muy eficiente, sin embargo, el producto líquido requiere un mayor refinado para lograr las características de un fuel de gran calidad.
•      Licuefacción indirecta. En ella se gasifica el carbón y se forma una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono llamado syngas o gas de síntesis. Este gas es condensado con un catalizador, a través del proceso denominado ‘’Fischer-Tropsch’’, para producir productos ultra-limpios y de gran calidad. 

            Sudáfrica ha estado produciendo combustibles derivados del carbón desde 1955 y tiene la única industria comercial de ‘’carbón líquido’’ en funcionamiento,a través de la compañía energética sudafricana SASOL. 

            

           Los beneficios de la utilización de estos combustibles son: 

•           El carbón es asequible y disponible a nivel mundial ya que los países pueden acceder a las reservas de carbón nacional – y a un mercado internacional bien abastecido - y disminuir la dependencia de las importaciones de petróleo, que mejorará la seguridad energética.
•          Pueden ser utilizados para el transporte, la cocina y en la industria química.
•          Los combustibles derivados del carbón no contienen azufre y con un bajo contenido de óxidos de nitrógeno.
•          Los CTL proveen combustible para cocinar ultra-limpios y el alivio de riesgos para la salud por la contaminación del aire en interiores

      La conversión de cualquier materia prima en combustibles líquidos es un proceso muy energético. Aunque el proceso de carbón a líquido emite más CO2 que las refinerías de petróleo convencionales, hay diversas opciones para prevenir estas emisiones, como la absorción.

Por Diego Gómez Jerez

Influencia humana en el ciclo del carbono

Por: Juan Manuel Liñán Barroso

El almacenamiento de carbono en depósitos fósiles supone, en la práctica, una disminución de los niveles atmosféricos de dióxido de carbono. Estos depósitos se estiman entre 4000 y 10000 Gt, y no figuran en el ciclo rápido del carbono. Sin embargo, las actividades antropogénicas (humanas), sobre todo la quema de combustibles fósiles y la deforestación, están incorporando nuevos flujos de carbono en el ciclo biológico provenientes de estos depósitos, con una influencia significativa en el ciclo global del carbono.

Estas actividades humanas transfieren más CO₂ a la atmósfera del que es posible remover naturalmente a través de la sedimentación del carbono, causando así un aumento de las concentraciones atmosféricas de CO₂ en un corto periodo de tiempo (cientos de años). Esta influencia humana, iniciada sobre todo hace 200 años, cuando la concentración de CO₂ atmosférico se situaba en los 280 ppmv (0,028% de la composición global de la atmósfera), provocó un aumento significativo de la concentración de CO2, habiendo actualmente sobrepasado los 380 ppmv (más de un 30% en sólo 200 años). Estos valores sitúan la concentración actual como la más elevada de los últimos 650000 años y quizás superior a la registrada hace 20 millones de años atrás.