Impresión 3D:
aprende cómo se construye un objeto en 3D
Visita al INSTITUTO
DE CIENCIA Y TECNOLOGIA DE POLIMEROS
A día de hoy la
impresión 3D, aunque se habla constantemente en los medios, no es todavía un
fenómeno masivo en el ámbito escolar como sí lo son las impresoras de tinta
convencionales. Observamos cómo funciona una impresora 3D y nos enseñaron cómo
diseñar un objeto en un programa de dibujo 3D y a partir de ahí cómo transmitir
y ejecutar su construcción mediante la impresora 3D.
Durante
la semana de la ciencia visitamos El Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid,
ICMM-CSIC, tiene como objetivo generar conocimiento de vanguardia sobre
materiales y procesos cruciales para abordar los retos de la sociedad.
El
taller que realizamos fue:
Superconductividad: un
sorprendente fenómeno cuántico
Existen
algunos materiales que al enfriarlos sufren un cambio de fase a un estado
superconductor donde las propiedades eléctricas y magnéticas cambian
drásticamente. En los superconductores la resistencia eléctrica desaparece lo
que permite conducir la electricidad sin pérdidas de energía. Debido a esta
propiedad los superconductores tienen un enorme potencial para el ahorro
energético en nuestra sociedad. Además los superconductores expulsan los campos
magnéticos lo que da lugar a espectaculares demostraciones de levitación. Entre
las aplicaciones de esta propiedad están los trenes que levitan. Todas estas
curiosas propiedades se explican gracias a la física cuántica.
La
actividad se desarrollará de la siguiente forma:
·
explicación de la
superconductividad con vídeos y animaciones
·
aplicaciones de los
superconductores en el transporte, sectores energéticos y hospitalarios
·
demostración del
enfriamiento a -200ºC con nitrógeno líquido
·
demostración del fenómeno
de levitación.
A
muy bajas temperaturas algunos materiales tales como el plomo y el
aluminio cambian radicalmente sus propiedades eléctricas y magnéticas. No
poseen resistencia eléctrica por lo que el superconductor es un conductor
perfecto y la conducción de los electrones se realiza sin pérdidas de
energía. Los superconductores además expulsan el campo magnético –efecto
Meissner– lo que da lugar a fenómenos de levitación muy espectaculares.
La
superconductividad es una manifestación de un estado cuántico colectivo a
escala macroscópica en el que los electrones se unen en una onda cuántica que
se extiende por todo el material.
Los
superconductores ya se usan en múltiples aplicaciones y se prevé que
jueguen un papel fundamental en las tecnologías del futuro próximo en campos
tales como la energía, el medio ambiente, el transporte, la
nanotecnología y la salud.
Conseguir
entender a nivel fundamental los superconductores es uno de los grandes
desafíos en investigación del siglo XXI que podría dar lugar a una gran
revolución tecnológica.
SUPERCONDUCTORES CONVENCIONALES
La superconductividad se
descubrió en 1911 en mercurio. Junto al mercurio son muchos los materiales y
elementos químicos que se vuelven superconductores al bajar la temperatura.
Algunos de estos materiales como el plomo, el aluminio o el estaño tienen
amplia presencia en nuestra vida cotidiana.
Los llamados superconductores
convencionales se entienden desde que en 1957 Bardeen, Cooper y Schrieffer propusieran
su teoría BCS. Además de proponer que los electrones formaban parejas y
que estas parejas se coordinaban entre ellas, nos explicaron que la formación
de parejas se debía a la interacción entre los electrones y la red de átomos.
Que la superconductividad sea debida a las vibraciones de la red de átomos es
la característica fundamental de los llamados superconductores convencionales.
Las temperaturas críticas de los
superconductores convencionales (ver gráfica de temperaturas críticas) son
bastante bajas. A modo de ejemplo la temperatura crítica del aluminio (-271,81º
C) sólo está 1,19 grados por encima del cero absoluto de temperatura, la
del estaño (-269,28º C) y el plomo (-265,81ºC) están respectivamente 3,72
grados y 7,19 grados por encima del cero de temperatura. Algunas aleaciones de
estaño tienen temperaturas críticas algo superiores, entre -255º y -250º C, y
se usan bastante en la fabricación de imanes.
Diboruro de Magnesio
Hasta hace unos años se creía que
la interacción de los electrones con la red era capaz de producir
superconductividad solamente a temperaturas de hasta unos -250ºC. Sin embargo,
en 2001 se descubrió que el diboruro de magnesio, un material conocido y de
fácil síntesis, superconducía hasta temperaturas de -234ºC.
En el diboruro de magnesio la
superconductividad se produce por cómo interaccionan los electrones con las
vibraciones de la red de átomos y por ello suele incluirse dentro de los
superconductores convencionales y no dentro de los superconductores de alta
temperatura, a pesar de tener una temperatura crítica bastante alta.
La diferencia principal entre el
diboruro de magnesio y los típicos superconductores convencionales está en el
hecho de que los electrones interaccionan con las vibraciones de la red de dos
formas distintas (se dice que hay dos tipos de electrones). La presencia de dos
tipos de electrones es en gran medida responsable de la alta temperatura
crítica. Las propiedades de este material se entendieron rápidamente y en poco
tiempo se han comenzado a desarrollar aplicaciones.
NUEVOS SUPERCONDUCTORES
Aunque la superconductividad se
descubrió en 1911, aún hoy siguen descubriéndose nuevos superconductores. La
búsqueda de nuevos materiales superconductores es un campo muy activo de
investigación que día a día nos sorprende con nuevos materiales.
Uno de los descubrimientos más
interesantes mostró la aparición de superconductividad en la interfaz entre dos
óxidos, el óxido de lantano y el óxido de titanio.
Entre los superconductores
descubiertos más recientemente encontramos los sulfuros de bismuto. Una vez más
encontramos superconductividad en compuestos formados por capas, en este caso
con bismuto y azufre. En julio de 2012 se demostró la existencia de superconductividad
en estos materiales a bajas temperaturas, aproximadamente -265ºC. Ya se han
descubierto varios compuestos superconductores que tienen estas capas de
bismuto y azufre en común. Entre las propiedades interesantes destacan lo
resistente que es la superconductividad a la presencia de momentos magnéticos.
En la mayoría de los casos si la superconductividad es debida a vibraciones de
la red de átomos los momentos magnéticos la destruyen. Podríamos encontrarnos
ante un nuevo tipo de superconductor no convencional. Las primeras teorías sin
embargo apuntan a que el origen de la superconductividad se encuentra en la
interacción entre los electrones y la red de átomos.
También en 2012 se ha descubierto
superconductividad a temperaturas no demasiado bajas (-252º) en compuestos que
contienen capas de titanio que presentan otras fases además de la
superconductividad, lo que nos recuerda a los superconductores no
convencionales.
En octubre de 2012, se ha
descubierto superconductividad en compuestos de selenio o teluro e iridio y en
compuestos de platino y lantano.
El disulfuro de Molibdeno es un
compuesto que ha atraído mucha atención recientemente ya que se cree que puede
jugar un papel muy relevante en la electrónica del futuro, sustituyendo o
complementando al silicio. En diciembre de 2012 se descubrió que cuando
se añadían portadores a este material mediante un campo eléctrico muy fuerte se
volvía superconductor.
