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MATERIALES

FÍSICA 1

FOSFORESCENCIA Y FLUORESCENCIA.

Un método de excitación de los átomos consiste en irradiar algunos materiales con

radiacción de elevada energía, por ejemplo, luz ultravioleta. Las moléculas o átomos excitados

devuelven la energía en una sola transición electrónica o a través de varios saltos: en este último

caso, cada transición liberará una energía menor que la que ha requerido la excitación. Puesto

que la energía de la radiación es proporcional a la frecuencia, esta última situación dará lugar a

que la sustancia emita luz de frecuencia menor a la utilizada para su excitación. De este modo, la

irradación con luz ultravioleta, invisible para los ojos, puede dar lugar a la emisión de luz visible. el

fenómeno se denomina fluorescencia si la emisión es inmediata a la excitación o, fosforescencia,

si hay cierto retardo.

Algunos materiales fluorescentes

Minerales: fluorita (algunas variedades), calcita (algunas variedades), uranio,

Métodos de clasificación: rayas en sobres, etc.

Materiales orgánicos: hongos en la piel, clorofila, fluorescencia, etc.

Algunos materiales fosforescentes

Minerales: calcita y aragonito (algunas variedades), etc.

Instrumentos de señalización nocturna: bandas, pintura, etc.

Materiales de regalo: pegatinas, estrellas, etc.

Materiales Fotoactivos (Fluorescente, Fosforescente o Luminiscentes).

Los materiales fotoactivos son aquellos en los que se producen cambios de diferente

naturaleza como consecuencia de la acción de la luz o que por otro lado son capaces de emitir luz

como consecuencia de algún fenómeno externo.

� Entre los materiales fotoactivos que emiten luz, sin que se produzca calor, nos

encontramos con los electroluminiscentes, los fluorescentes y los fosforescentes.

* Electroluminiscentes: son materiales organometálicos basados fundamentalmente en fósforos y

fluorocarbonos que emiten luz de diferentes colores cuando son estimulados por una corriente

eléctrica.

* Fluorescentes: son materiales semiconductores que producen luz visible como resultado de su

activación con luz UV. El efecto cesa tan pronto como desaparece la fuente de excitación. Los

pigmentos fluorescentes a la luz del día son blancos o de color claro mientras que cuando están

expuestos a radiación UV irradian un intenso color fluorescente.

* Fosforescentes: materiales semiconductores que convierten la energía absorbida en luz emitida

sólo detectable en la oscuridad, después de que la fuente de excitación ha sido eliminada. Esta

emisión de luz puede durar desde minutos hasta horas. La fuente de excitación más efectiva es la

radiación UV.

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MATERIALES

FÍSICA 2

LUMINISCENCIA

Espectro de la luz, con la zona

visible (380 - 780 nm) y los

diferente colores de la misma.

La energía radiante que recibimos del sol cubre una amplia

gama de longitudes de onda de las cuales sólo una pequeña

parte constituye el llamado espectro de la luz visible.

La luz es una forma de energía y para crearla es necesario

suministrar energía bajo otra forma. Existen, fundamentalmente,

dos formas para que ello ocurra:

La incandescencia es el fenómeno de emisión de luz debida a

la energía calorífica. Un cuerpo, alcanzando cierta temperatura,

emite una radiación luminosa que es, además, característica de

cada sustancia. Es este el fenómeno observado cuando un

metal es "calentado al rojo" y está a la base de utilizaciones

industriales tan comunes como la bombilla en la que un

filamento de wolframio, atravesado por corriente eléctrica,

alcanza la incandescencia y emite una luz brillante. Las

estrellas y el propio sol irradian luz por incandescencia.

La luminiscencia, por el contrario, es una forma de "luz fría" en

la que la emisión de radiación lumínica es provocada en

condiciones de temperatura normal o baja.

Esquemáticamente puede describirse una átomo como un núcleo alrededor del cual

gravitan un conjunto de electrones con trayectorias orbitales precisas.

Cuando una cierta forma de energía alcanza un átomo, ciertos electrones son excitados,

alcanzando, de manera transitoria, un mayor nivel de energía saltando a un orbital superior;

para recuperan su estado inicial deben desprenderse del excedente de energía, emitiendo un

fotón, generalmente con longitud de onda dentro del espectro de la luz visible.

Este fenómeno se observa normalmente en minerales que poseen iones extraños,

llamados "activadores", siendo una emisión débil, sólo observable en la oscuridad. Otros

elementos como el hierro o el cobalto son llamados "desactivadores" pues impiden la

fluorescencia incluso en presencia de un activador.

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MATERIALES

FÍSICA 3

Que son los materiales inteligentes?

Los materiales inteligentes, activos, o también denominados multifuncionales son

materiales capaces de responder de modo reversible y controlable ante diferentes estímulos

físicos o químicos externos, modificando alguna de sus propiedades.

Por su sensibilidad o actuación, estos materiales pueden ser utilizados para el diseño y desarrollo

de sensores, actuadores y productos multifuncionales, así como poder también llegar a configurar

estructuras y sistemas inteligentes de aplicaciones múltiples. En este caso las estructuras

inteligentes, son por ejemplo aquellas que gracias a la combinación de estos materiales son

capaces de autodiagnosticarse y modificarse para adaptarse a las condiciones que se les ha

marcado como óptimas o correctas.

Algunos de estos materiales, son conocidos desde hace muchos años y otros (la mayoría) son de

reciente aparición. Se manifiestan en diferentes naturalezas, inorgánicas, metálicas y orgánicas, y

su comportamiento es muy diverso siendo sensibles a una amplia variedad de fenómenos físicos

y químicos. Actualmente, su importancia surge gracias a las nuevas tecnologías como la

microelectrónica y la posibilidad de diseñar y sintetizar estructuras orgánicas poliméricas con

propiedades activas predefinidas.

Por ejemplo, hasta hace pocos años todos nos hemos maravillado ante los displays de cristal

líquido (LCD) presentes en pantallas planas de ordenador, teléfonos móviles, ..etc. Pero ya ha

comenzado su cuenta a tras con la aparición de los OLED (Organic Light-Emitting-Diode),

pantallas en base a polímeros multicapa que emiten luz ante pequeños estímulos eléctricos,

permitiendo diseños más ligeros y flexibles. Juntando tecnología e imaginación, ya se

comercializan con estas nuevas pantallas vídeo cámaras (Kodak Easyshare LS633), lámparas

planas para sistemas de seguridad y señalización, piezas plásticas de interior de vehículo con luz

propia. Siendo imparable el desarrollo de nuevos productos en base a los materiales activos.

Cuales son los materiales inteligentes y como funcionan?

A continuación se enumeran agrupados por el tipo de estímulo o comportamiento algunos de los

materiales comúnmente denominados como activos o inteligentes:

� Materiales Electro y Magnetoactivos.

Son materiales que actúan o reaccionan ante cambios eléctricos o magnéticos. Se trata de

materiales ampliamente utilizados en el desarrollo de sensores y actuadores. Además, los

nuevos desarrollos en base a materiales poliméricos conductores han dado paso a los EAP

(Electro Active Polymers) cuyo desarrollo abren paso a los músculos artificiales y mecanismos

orgánicos artificiales.

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MATERIALES

FÍSICA 4

� Los materiales magnetostrictivos y electroestrictivos cambian de dimensiones al estar

sometidos a un campo magnético o eléctrico respectivamente, por lo que son aptos para ser

utilizados en sensores y actuadores. Sus aplicaciones más comunes son a modo de sonar,

motores lineales magnetostrictivos, y a modo de sensores: medida de tensiones mecánicas,

medida de par de ejes, sensores de posición o sistemas antihurto.

� Los materiales piezoeléctricos, poseen la capacidad para convertir la energía mecánica en

energía eléctrica y viceversa, son ampliamente aplicados como sensores y actuadores,

vibradores, zumbadores, micrófonos, ..etc. En la actualidad además de los piezoeléctricos

cerámicos, existen polímeros piezoeléctricos como el PVDF, que en forma de films son

fácilmente incorporados a plásticos y composites.

� Los materiales electroreológicos y magnetoreológicos, son capaces de alterar su

propiedades reológicas ante variaciones del campo. Son suspensiones de partículas

micrométricas magnetizables, en fluidos de distintas naturalezas (aceites hidrocarburos,

silicona o agua), que de forma rápida y reversible aumentan su viscosidad bajo la aplicación

de campos magnéticos. Existen aplicaciones por ejemplo en los amortiguadores variables en

base a fluidos magnetoreológicos MRF.

�

Materiales Fotoactivos (Eléctroluminiscente, Fluorescente, Fosforescente o Luminiscentes).

Los materiales fotoactivos son aquellos en los que se producen cambios de diferente

naturaleza como consecuencia de la acción de la luz o que por otro lado son capaces de

emitir luz como consecuencia de algún fenómeno externo.

Los materiales fotoactivos pueden clasificarse en: Electroluminiscentes, fluorescentes y

fosforescentes.

Los materiales cromoactivos son aquellos en los que se producen cambios de color como

consecuencia de algún fenómeno externo como pueda ser la corriente eléctrica, la radiación

ultravioleta o los rayos X.

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MATERIALES

FÍSICA 5

Los materiales cromoactivos se pueden clasificar en: Fotocrómicos, termocrómicos y

electrocrómicos.

Los pigmentos fluorescentes producen luz visible o invisible como resultado de una luz incidente

de longitud de onda corta (rayos X, rayos UV,….). Son blancos o de color claro a la luz del día, en

cambio irradian un intensivo color fluorescente cuando se les expone a una radiación UV, el

efecto cesa tan pronto como desaparece la fuente de excitación.

Los materiales fosforescentes o replandecientes producen luz visible o invisible como resultado de

una luz incidente de pequeña longitud de onda, detectable después de que la fuente de excitación

ha sido eliminada, esta es su principal diferencia frente a los materiales fluorescentes.

Los materiales electroluminiscentes son aquellos que producen luz brillante de diferentes colores

cuando son estimulados electrónicamente, por ejemplo, con corriente AC. Mientras emiten luz no

se produce calor.

Se aplican a sistemas de señalización y seguridad. En el caso de los electroluminiscentes, emiten

luz fría y su disposición en forma de film (lámparas planas) están siendo combinados en piezas

plásticas mediante técnicas como IMD (In Mold Decoration) para realizar piezas 3D que emiten

luz propia

* Cromoactivos (Termocrómico, Fotoctrómicos, Piezocrómicos).

Los materiales cromoactivos son aquellos en los que se producen cambios de color como

consecuencia de algún fenómeno externo como pueda ser la corriente eléctrica, la radiación

ultravioleta, los rayos X, la temperatura o la presión.

Los materiales cromoactivos se pueden clasificar en: Fotocrómicos, termocrómicos y

electrocrómicos.

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MATERIALES

FÍSICA 6

Los materiales termocrómicos cambian reversiblemente de color con la temperatura, este cambio

de color ocurre dentro de un rango de temperaturas. Habitualmente son compuestos

semiconductores.

Los materiales electrocrómicos presentan la propiedad de cambiar de espectro de absorción y,

generalmente, de color, al cambiar su estado de oxidación por la aplicación de una diferencia de

potencial externa.

Los materiales fotocrómicos cambian reversiblemente de color con cambios en la intensidad de la

luz. Este tipo de materiales no se ven en lugares oscuros. Cuando la luz solar o la radiación UV se

aplica sobre la estructura molecular del material, ésta cambia y aparece un color, que desaparece

cuando cesa la fuente.

Los materiales termocrómicos están ya presentes en forma de etiquetas de control de

temperatura (cadena de frío), artículos de hogar (envases microondas, sartenes, mangos,..),

juguetes (cromos que al frotar muestran una imagen),..

* Materiales con Memoria de Forma (aleaciones metálicas SMA y polímeros).

Se definen como aquellos materiales capaces de “recordar” su forma y capaces de volver a esa

forma incluso después de haber sido deformados. Este efecto de memoria de forma se puede

producir por un cambio térmico o magnético.

La clasificación más general que se hace de este tipo de materiales es según las fuerzas

aplicadas al material: campos térmicos o magnéticos

Las aleaciones con memoria de forma más conocidas son las aleaciones de niquel-titanio, cuyo nombre

comercial es NITINOL, y que responden ante campos térmicos. Si a un alambre de SMA, se hace pasar

una corriente eléctrica hasta calentarlo a una temperatura determinada, se encogerá hasta un 6% de su

longitud, si se enfría por debajo de la temperatura de transición recupera su longitud inicial. Sus

aplicaciones están extendidas en medicina como cánulas intravenosas, sistemas de unión y separadores,

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MATERIALES

FÍSICA 7

alambres dentales en ortodoncia,… En robótica, se emplean los alambres de Nitinol como músculos

artificiales, resortes, tiradores,….como válvulas de control de temperatura son aplicables en duchas,

cafeteras,…sistemas de unión y separación controlados,…etc.

Los polímeros con memoria de forma son materiales poliméricos con la capacidad de recordar su forma

original. Al contrario que en el caso de las aleaciones, donde el cambio de forma se produce debido a

transiciones inducidas térmicamente entre diferentes fases cristalinas del material (la fase martensítica y la

fase austenítica), el efecto de memoria de forma de los materiales poliméricos no se debe a cambios

estructurales. Este efecto no es una propiedad específica de un solo polímero, sino que está relacionado

con la combinación de la estructura del polímero y la morfología del mismo junto con la tecnología de

programación y procesado empleadas.

Comparando las aleaciones con memoria de forma con los polímeros con memoria de forma, estos últimos

presentan propiedades que los hacen ventajosos, tales como la baja densidad, buena moldeabilidad, y se

puede producir a bajos costos.

Las Aleaciones con Memoria de Forma Ferromagnética no son conducidas por campos térmicos sino

magnéticos. Los FMSA están todavía en fase de desarrollo, tanto que solo aleaciones ternarias de Ni-Mn-

Ga han mostrado un comportamiento satisfactorio, pero otros sistemas tienen un potencial interesante