Materiales Cromoactivos

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Materiales cromoactivos

N 4, 2010

Editorial

El tema escogido para el cuarto boletn de materiales inteligentes es el de los materiales cromoactivos, debido al amplio rango de usos que abarcan estos materiales y a su gran aplicabilidad a la vida diaria.

A continuacin se detallan las caractersticas de estos materiales, as como sus aplicaciones.

MATERIALES CROMOACTIVOS

Los materiales cromoactivos responden con un cambio de color ante un estmulo externo.

El color tiene la propiedad de poderse observar directamente a travs de nuestros ojos. Por tanto, cualquier cambio en el color de un objeto, del blanco al negro, de incoloro a color o de un color a otro, puede ser fcilmente detectado de manera directa por un observador o de forma secundaria con el uso de simples instrumentos espectromtricos. De esta manera, los cambios de color proporcionan seales visuales muy importantes que pueden ser utilizadas para transmitir informacin til para el observador. Adems, mediante la absorcin o transmisin selectiva de luz en un material, es posible restringir la energa de la luz que incide sobre el observador. Cuando un tercer parmetro, llamado estmulo externo, que puede ser fsico o qumico, es la causa del cambio de color o de la restriccin en la transmisin de luz, las posibles aplicaciones se amplan de manera significativa. Consecuentemente, la investigacin de qumicos que bajo la aplicacin de un estmulo externo cambian de color, ha sido extensa, y el nmero de aplicaciones no muestra signos de disminuirla1.

El fenmeno del cambio de color se clasifica y se nombra en funcin del estmulo que causa el cambio. As, el fotocromismo es un cambio de color, normalmente de incoloro a color, originado por la luz UV, el electrocromismo es un cambio de color reversible a travs de una oxidacin o reduccin producida por una corriente o potencial elctrico y el termocromismo es un cambio de color provocado por el calor. Estos son los fenmenos ms comunes dentro de los materiales cromoactivos, no obstante existen otros muchos que atienden a diferentes estmulos y que han ido evolucionando en los ltimos aos, aunque todava no se encuentran al mismo nivel de desarrollo:

1 Chromic Phenomena, Technological Applications of Colour Chemistry, P. Bamfield and M. G Hutchings, RSC Publishing 2010

Sumario Editorial 1

Palabras clave 4

Visin actual 5

Publicaciones 5

Patentes 10

Proyectos en curso 15

Noticias 16

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Fenmeno Estmulo

Fotocromismo Luz

Termocromismo Calor

Electrocromismo Corriente elctrica

Gasocromismo Gas redox/oxgeno

Solvatocromismo Solventes

Ionocromismo Iones

Vapocromismo Vapor de un compuesto orgnico debido a una polarizacin qumica

Halocromismo Cambio en el PH

Mecanocromismo Acciones mecnicas

Tribocromismo Friccin mecnica

Piezocromismo Presin

Catodocromismo Irradiacin de un haz de electrones

Radiocromismo Radiacin ionizada

Magnetocromismo Campo magntico

Biocromismo Interconexin con una entidad biolgica

Cronocromismo Paso del tiempo

Agregacromismo Agregacin de cromoforas

Cristalocromismo Cambios en la estructura cristalina de las cromoforas

A continuacin se detalla en ms profundidad los fenmenos ms comunes y extendidos:

Materiales fotocrmicos

Son materiales que al incidir la luz solar o luz con elevado componente UV sobre ellos, cambian de forma reversible su color (estos materiales no se ven en la oscuridad).

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Es uno de los fenmenos cromoactivos ms antiguos, existen registros desde 18802.

Aplicaciones: seguridad (tinta invisible, deteccin de documentos), publicidad (carteles, camisetas, zapatos, cordones, bolsos, folletos, etc.) y en ptica (lentes).

Imagen: lente fotocrmica donde una parte ha sido cubierta por un papel y la otra ha sido

expuesta a la luz solar.

Materiales electroactivos

Son materiales que cambian su espectro de absorcin y, generalmente, de color, al cambiar su estado de oxidacin por la aplicacin de una diferencia de potencial externa.

Aplicaciones: automocin (espejos retrovisores antideslumbrantes), ventanas inteligentes y pantallas.

Imagen: Cristal Lquido. El mecanismo de conmutacin ptica en cristales lquidos es cambiar la orientacin de las molculas de cristal lquido nter esparcidas entre dos electrodos conductores con la aplicacin de un campo elctrico. Su funcionamiento es ON-OFF. Su mayor aplicacin est en los acristalamientos. La energa de estimulacin es de carcter elctrico. Es un proceso reversible.

Fuente: Modelamiento y control de una ventana de material cromognico, J.A. Andrade Hernandez, Universidad de Colombia.

Materiales termocrmicos

Son materiales que cambian de color con la temperatura. Permiten seleccionar el color y el rango de temperaturas, con lo que permiten un rango muy amplio de aplicaciones. Adems pueden ser reversibles o cambiar de color permanentemente con el incremento de temperatura,

2 Modelamiento y control de una ventana de material cromognico, J.A. Andrade Hernandez, Universidad de Colombia.

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en funcin del pigmento que se incorpore. Normalmente son materiales de naturaleza semiconductora.

Igual que en el caso de los materiales fotocrmicos, los termocrmicos son antiguamente conocidos, datando su descubrimiento en la dcada de 1870.

A pesar de que el termocromismo ha suscitado gran inters comercial, el mecanismo de funcionamiento no est todava bien definido y por tanto quedan algunos obstculos por resolver antes de que este tipo de materiales tengan una acogida duradera en el mercado. Una de las razones por las que los materiales termocrmicos no han sido explotados es que la mayora de materiales tienen una temperatura de cambio mucho mayor que la temperatura ambiente. Otro inconveniente es la baja resistencia a la luz ultravioleta que presentan este tipo de materiales.

Aplicaciones: sealizacin (etiquetado/control temperatura-cadena fro-), seguridad (tuberas y conducciones, elementos peligrosos, etc.), artculos de hogar (envases microondas, sartenes, placas calefactoras, vasos, jarras, etc.), juguetera (cromos que al frotar muestran una imagen), pinturas, textiles y arquitectura.

Imagen: acristalamiento autoregulador para proteccin solar; Temperatura superficial izquierda:

25C, derecha: 37C.

Fuente: Instituto Fraunhofer

II. Palabras clave Las palabras clave utilizadas para la elaboracin de este boletn han sido:

Chromogenic Cromoactivo

Electrochromic Electrocrmico

Thermocromic Termocrmico

Photochromic Fotocrmico

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Visin Actual Publicaciones

En este apartado se ha realizado una bsqueda en la base de datos Web of Knowledge, de aquellas publicaciones que se han llevado a cabo en materia de materiales cromoactivos desde el ao 1980 hasta la actualidad, para as observar la evolucin y el inters que ha generado este tipo de materiales en la investigacin.

En primer lugar se ha procedido a una bsqueda general mediante las palabras clave: chromogenic OR thermochromic OR photochromic OR electrochromic. Como resultado se hallaron 18.698 publicaciones, con las cuales se ha generado el siguiente grfico de evolucin:

Fuente: Elaboracin propia, con datos de la Web of Knowledge

En el grfico se observa un estancamiento en el crecimiento de publicaciones hasta el ao 1991, a partir de ese ao, se muestra una tendencia positiva, con lo que se desprende que este tipo de materiales han ido ganando inters en las dos ltimas dcadas.

A continuacin se ha realizado el mismo procedimiento anterior pero atendiendo a cada uno de los tipos ms comunes con las palabras clave: electrochromic, photochromic y thermochromic.

Con cada una de la bsquedas realizadas se ha confeccionado un grfico, para observarlos por separado.

El resultado para la bsqueda de materiales electrocrmicos fue de 5.083 publicaciones, y la tendencia es similar al caso general, existiendo algunos picos para determinados aos.

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Seguidamente, se muestran los resultados obtenidos para los materiales fotocrmicos. El nmero de publicaciones encontradas es de 6.174, superior al caso de los electrocrmicos. Tambin se observa un crecimiento considerable a partir de 1991, posiblemente debido al descubrimiento de nuevas aplicaciones.


La ltima bsqueda se ha realizado para los materiales termocrmicos y los resultados obtenidos han sido un total de 1.597, una cantidad de publicaciones reducida si la comparamos con la de los materiales electrocrmicos y fotocrmicos.

En el grfico se muestra un inters creciente desde el ao 1991, como en los casos anteriores, no obstante, estos materiales se conocen desde 1870. Esto puede deberse a los inconvenientes que se encontraron, comentados anteriormente, los cuales en funcin de haberse ido solucionando, las investigaciones han ido ganando inters. An as, el nivel de desarrollo de estos materiales todava est muy por debajo de los anteriores.

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Haciendo una bsqueda desde el ao 2005 hasta la actualidad, para obtener datos ms recientes y las ltimas investigaciones realizadas en este mbito, se han obtenido un total de 6.868 publicaciones, siendo las instituciones que poseen un mayor nmero de publicaciones las que se detallan a continuacin:

POSICIN INSTITUCIN N ARTCULOS

1 CHINESE ACAD SCI 198 2 RUSSIAN ACAD SCI 183 3 KYUSHU UNIV 113 4 MIDDLE E TECH UNIV 109

5 JIANGXI SCI & TECHNOL NORMAL UNIV 98

6 NATL INST ADV IND SCI & TECHNOL 70 7 NATL TAIWAN UNIV 58 8 OSAKA UNIV 58 9 UNIV FLORIDA 55

10 NATL PHYS LAB 53 11 UNIV SAO PAULO 53 12 CNRS 52

13 MOSCOW MV LOMONOSOV STATE UNIV 51

14 SEOUL NATL UNIV 50

15 YONSEI UNIV 50 16 UPPSALA UNIV 49

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17 WROCLAW UNIV TECHNOL 49 18 UNIV TOKYO 45 19 KYUNGPOOK NATL UNIV 43 20 NANKAI UNIV 43 21 UNIV BOLOGNA 42 22 UNIV MIAMI 42 23 FUDAN UNIV 40 24 INST CANC RES 40 25 KOREA UNIV 39

Como se observa en la tabla anterior, todas las entidades de la lista son universidades o institutos cientficos de diferentes nacionalidades.

En Espaa, las instituciones que tienen ms publicaciones relacionadas con los materiales que se tratan en el boletn son, por orden: la Universidad Politcnica de Valencia, Universidad de Valencia, Universidad de Murcia, Universidad de Burgos, Universidad Carlos III de Madrid y Universidad de Zaragoza.

Para ver ms a fondo cules son los pases ms interesados en este tipo de materiales se ha realizado el siguiente grfico correspondiente al nmero de publicaciones por pases.

Fuente: elaboracin propia, con datos de la Web of Knowledge

Segn los datos obtenidos, Estados Unidos es el pas que en los ltimos 5 aos est publicando e investigando ms en este tema, seguido de China y Japn, Espaa representara casi el 3% mundial.

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Por ltimo, en el apartado de artculos, cabe destacar aquellos de ms relevancia. Para determinarlo se ha establecido el criterio de importancia mediante el nmero de citaciones producidas en otros documentos. De esta manera, se ha conseguido la lista de los siguientes cinco artculos:

Ttulo Autor Fuente Vol. N Pg. Fecha pub.

KRAS mutation status is predictive of response to cetuximab therapy in colorectal cancer

Lievre A, Bachet JB, Le Corre D, et al..

Cancer Research

66 8 3992-3995

Abr 2006

Photo- and electroactive amorphous molecular materials molecular design, syntheses, reactions, propierties, and applications

Shirota Y Journal of Mateials Chemistry

15 1 75-96 2005

Anion recognition and sensing in organic and aqueous media using luminescent and colorimetric sensors

Gunnlaugsson T, Glyn M, Tocci GM, et al.

Coordination Chemistry Reviews

250 34-24

3094-3117

Dic 2006

What anions do to N-H-containing receptors

Amendola V, Esteban-Gomez D, Fabbrizzi L, et al.

Accounts of Chemical Research

39 5 343-353

Mayo 2006

Pyridinium N-phenoxide betaine dyes and their application to the determination of solvent polarities part 29- Polarity of ionic liquids determined empirically by means of solvatochromic pyridinium N-phenolate betaine dyes

Reichardt C Green Chemistry

7 5 339-351

2005

A continuacin se detallan algunos de los libros ms recientes dedicados a los materiales cromoactivos:

Ttulo Autor Editor Ao edicin

Chromic Phenomena, Technological Applications of Colour Chemistry

Bamfield, Peter; Hutchings, Michael G

RSC Publishing 2010

Thermochromic Phenomena in Polymers Seeboth, Arno; Ltzsch, Detlef

Smithers Rapra Technology Limited

2008

Electrochromic Materials and Applications A.Rougier; D. Raugh; G.A. Nazri

The Electrochemical Society

2003

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Photochromism, molecules and systems Dr, Heinz: Bouas-Laurent, Henri

Elseiver 2003

Handbook of inorganic electrochromic materials

C.G. Granqvist Elseiver 2002

Patentes

Para elaborar el apartado de publicacin de patentes se ha operado de igual modo que en el apartado de artculos.

Se ha realizado una bsqueda en la base de datos Web of Knowledge (Derwent Innovation), de las patentes publicadas con relacin a los materiales cromoactivos desde el ao 1980 hasta la actualidad para mostrar la evolucin en innovacin de este tipo de materiales.

En primer lugar se ha procedido a una bsqueda general mediante las palabras clave: chromogenic OR thermochromic OR photochromic OR electrochromic.

Se han obtenido un total de 15.147 patentes publicadas desde el ao 1980 hasta la fecha actual. El siguiente grfico muestra dicha evolucin:


Este grfico muestra una tendencia positiva a partir del ao 1997, unos aos despus que en el caso de los artculos que muestra esta tendencia a partir del ao 1991.

A continuacin se muestran los diferentes resultados obtenidos para cada tipo de materiales, esto es, materiales electrocrmicos, fotocrmicos y termocrmicos, utilizando sus respectivas palabras clave: electrochromic, photochromic y thermochromic.

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Se obtuvieron un total de 7.667 patentes de materiales electrocrmicos y como se observa en el grfico, la publicacin de patentes sobre este tema fue perdiendo inters hasta 1996, a partir del cual se muestra una tendencia positiva hasta los ltimos aos.


Para los materiales fotocrmicos se obtuvieron 5.045 patentes que muestran una clara tendencia positiva.

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En este caso, igual que en el caso de la bsqueda de artculos, se han obtenido menos resultados que para los otros tipos de materiales, nicamente 868 patentes, lo que quiere decir que no tienen tanto inters como los anteriores, posiblemente por lo comentado acerca de sus limitaciones en cuanto a la temperatura de cambio o la baja resistencia a la luz ultravioleta.

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A continuacin se ha realizado, con las patentes publicadas desde 2005 hasta la fecha actual, un ranking de los pases en que estas patentes tienen efecto:

POSICIN PAS NPATENTES

1 ESTADOS UNIDOS 2383

2 SOLICITUD MUNDIAL 962

3 SOLICITUD EUROPEA 893

4 JAPN 545

5 CHINA 436

6 COREA 363

7 CANAD 125

8 ALEMANIA 123

9 AUSTRALIA 112

10 GRAN BRETAA 39

11 MEXICO 34

12 RUSIA 27

13 TAIWAN 22

14 SUFRICA 17

15 HONG KONG 11

Esta lista muestra una gran diferencia entre Estados Unidos y el resto de pases, con lo que se desprende que el mercado de productos con aplicaciones crmicas es mayor en este pas.

A continuacin se detallan los solicitantes que ms han publicado en cuanto a registro de patentes, desde el ao 2005 hasta la fecha actual:

POSICIN SOLICITANTE N PATENTES

1 TRANSITIONS OPTICAL INC 329

2 GENTEX CORP 212

3 TOKUYAMA CORP 178

4 PPG IND OHIO INC 139

5 LG CHEMICAL LTD 122

6 E INK CORP 112

7 DONNELLY CORP 99

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8 ESSILOR INT 87

9 SIEMENS AG 82

10 SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD 82

11 SAINT GOBAIN 78

12 PILOT INK CO LTD 76

13 NTERA LTD 67

14 RODENSTOCK GMBH 56

15 SONY CORP 54

16 KONINKL PHILIPS ELECTRONICS NV 53

17 KONICA MINOLTA HOLDINGS INC 47

18 RICOH KK 44

19 TOKAI RIKA CO LTD 41

20 UNIV FLORIDA 40

21 JOHNSON & JOHNSON VISION CARE 39

22 UNIV WASHINGTON 36

23 XEROX CORP 35

24 SEIKO EPSON CORP 35

La primera empresa que aparece en la lista corresponde a una marca de cristales fotocrmicos para lentes, que cambian de tono cuando incide la luz sobre ellos y la segunda tiene un espejo retrovisor antideslumbramiento para automviles. Estos, junto con las ventanas inteligentes son, de momento, los productos o aplicaciones estrella de este tipo de materiales.

A continuacin se ha realizado un listado de las ltimas patentes publicadas relacionadas con el tema:

NPUBLICACIN SOLICITANTE PAS ORGEN

CONTENIDO TCNICO

US2010329950 SKYRAD LTD ISRAEL Dispositivo desechable de medicin de radiacin UV.

US2010330868 PAYNE JULIAN ESTADOS UNIDOS

Juguete que tiene un spray para agua.

US2010328751 KONDOU YOSHIROU, AND OTHERS

JAPN Dispositivo de pantalla electrocrmico y su mtodo de fabricacin.

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Proyectos en curso o finalizados recientemente

Innovation of high resolution electronics for reflective displays El objetivo del proyecto es crear pantallas que soporten una gran cantidad de texto y que sean legibles en un amplio rango de condiciones de iluminacin ambiental.

Fecha inicio / fecha final: 01-08-2006 / 31-07-2010

Entidad financiadora: Comisin Europea. FP6.

Coordinacin: Ntera Limited

http://www.ntera.com

Innovative switchable shading appliances based on nanomaterials and hybrid device configurations El proyecto se basa en la reduccin del coste de produccin, reduccin del consumo y aumentar la respuesta de los dispositivos electrocrmicos para la regulacin de luz.


Entidad financiadora / Programa: Comisin Europea. FP7.

Coordinacin: Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung der Angewandten Forschung E.V

http://www.fraunhofer.de

Desarrollo de nuevas familias de colorantes y el estudio prospectivo de su uso como sensores qumicos cromo-fluorognicos El proyecto est relacionado con el desarrollo de nuevos sensores qumicos moleculares avanzados para el reconocimiento cromognico y/o fluorognico de especies qumicas de inters (especialmente aminocidos, carboxilatos y aminas).



Coordinacin: Universidad de Burgos

http://www.ubu.es/suprabur

Photochromic systems for solid state molecular electronic devices and light-activated cancer drugs (PHOTOCHROMES) Se trata de un estudio de los sistemas fotocrmicos para dispositivos electrnicos y medicamentos para el cncer en estado slido.

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Coordinacin: Chalmers Tekniska Hoegskola AB

http://www.chalmers.se

Self powered vehicle roof for on-board comfort and energy saving (SMARTOP) El concepto dirigido por SMARTOP es desarrollar un techo autnomo inteligente que integre clulas solares, sistemas auxiliares de almacenamiento de energa como el control climtico termoelctrico, cristales electrocrmicos, iluminacin LED y actuadores que permitan incrementar el confort y el ahorro de combustible tanto para vehculo elctrico como para el de combustin.



Coordinacin: Chalmers Tekniska Hoegskola AB

http://cordis.europa.eu/fetch?CALLER=FP7_PROJ_EN&ACTION=D&DOC=1&CAT=PROJ&RCN=97555

Noticias Parches de color que indican a los soldados el nivel de exposicin a una explosin Noviembre 2010

Investigadores de la Universidad de Pensilvania han desarrollado un parche para el casco de los militares que indica la exposicin que ha sufrido el soldado a las ondas expansivas de las bombas.

El parche tiene una nanoestructura iridiscente. La exposicin a una explosin interrumpe la nanoestructura y como resultado se obtiene un cambio de color.

Este parche podra cambiar de color en funcin del nivel de exposicin a la onda expansiva de la explosin, ayudando a determinar rpidamente el dao cerebral que podra haber sufrido el soldado y el nivel necesario de la intervencin mdica.

Otras posibles aplicaciones incluyen el uso de los sensores para la proteccin de estructuras, vehculos y equipos para uso militar y civil.

http://www.theengineer.co.uk/news/colour-patches-indicate-soldiers-blast-exposure-level/1006322.article#ixzz19zXu3puP

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Crean unas gafas que cambian de color mediante electricidad Abril 2009

Cientficos de la Universidad Carlos III de Madrid participaron en el diseo de unas gafas inteligentes que cambian de color en segundos segn la tensin aplicada mediante cristales elctrocrmicos para filtrar la luz y mejorar la agudeza visual de personas con baja visin.

Las lentes incorporan unos filtros de luz que cambian automticamente gracias a un conjunto de sensores que captan el nivel y tipo de iluminacin (sol, halgeno, tungsteno) y aplican una tensin sobre unos cristales que cambian de color cuando se les aplica una carga elctrica (electrocrmicos). El dispositivo tambin se puede controlar manualmente, mediante unos botones ubicados en la patilla de las gafas mediante el que se maneja el oscurecimiento del filtro a voluntad propia.

http://www.plataformasinc.es/esl/Noticias/Crean-unas-gafas-que-cambian-de-color-mediante-electricidad

Eficiencia energtica de vidrios especiales en viviendas Junio 2009

Investigadores del departamento de Construccin y Tecnologa Arquitectnicas de la Universidad Politcnica de Madrid han desarrollado un nuevo mtodo de ensayo que permite medir las variaciones trmicas en condiciones reales de soleamiento y de intemperie. Esto mejora la precisin en el clculo del balance energtico de un edificio, uno de los problemas que hasta ahora tenan este tipo de ensayos.

Aunque todava estn en fase experimental, existen vidrios especiales que podran aportar mejoras a la eficiencia energtica de los edificios. Por ejemplo, aqullos que pueden cambiar sus propiedades de transmisin lumnica frente a diferentes estmulos, como la aplicacin de una corriente elctrica o el cambio en las condiciones exteriores de luz o temperatura. En general, se trata de vidrios que pueden pasar de transparentes a oscuros o translcidos, lo que permite eliminar cortinas o persianas. Sin embargo, su aportacin al ahorro energtico es an desconocida.

http://www.plataformasinc.es/esl/Noticias/Eficiencia-energetica-de-vidrios-especiales-en-viviendas

Entidades que colaboran en la elaboracin del Boletn:

Fundacin OPTI

ASCAMM

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