Boletín materiales 4º trim 2010cambio. Así, el fotocromismo es un cambio de color, normalmente de...
Transcript of Boletín materiales 4º trim 2010cambio. Así, el fotocromismo es un cambio de color, normalmente de...
1
Materiales cromoactivos
Nº 4, 2010
Editorial
El tema escogido para el cuarto boletín 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 continuación se detallan las características de estos materiales, así como sus aplicaciones.
MATERIALES CROMOACTIVOS
Los materiales cromoactivos responden con un cambio de color ante un estímulo externo.
El color tiene la propiedad de poderse observar directamente a través 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 fácilmente detectado de manera directa por un observador o de forma secundaria con el uso de simples instrumentos espectrométricos. De esta manera, los cambios de color proporcionan señales visuales muy importantes que pueden ser utilizadas para transmitir información útil para el observador. Además, mediante la absorción o transmisión selectiva de luz en un material, es posible restringir la energía de la luz que incide sobre el observador. Cuando un tercer parámetro, llamado estímulo externo, que puede ser físico o químico, es la causa del cambio de color o de la restricción en la transmisión de luz, las posibles aplicaciones se amplían de manera significativa. Consecuentemente, la investigación de químicos que bajo la aplicación de un estímulo externo cambian de color, ha sido extensa, y el número de aplicaciones no muestra signos de disminuirla1.
El fenómeno del cambio de color se clasifica y se nombra en función del estímulo que causa el cambio. Así, 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 través de una oxidación o reducción producida por una corriente o potencial eléctrico y el termocromismo es un cambio de color provocado por el calor. Estos son los fenómenos más comunes dentro de los materiales cromoactivos, no obstante existen otros muchos que atienden a diferentes estímulos y que han ido evolucionando en los últimos años, aunque todavía 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
Visión actual 5
Publicaciones 5
Patentes 10
Proyectos en curso 15
Noticias 16
2
Materiales cromoactivos
Nº 4, 2010
Fenómeno Estímulo
Fotocromismo Luz
Termocromismo Calor
Electrocromismo Corriente eléctrica
Gasocromismo Gas – redox/oxígeno
Solvatocromismo Solventes
Ionocromismo Iones
Vapocromismo Vapor de un compuesto orgánico debido a una polarización química
Halocromismo Cambio en el PH
Mecanocromismo Acciones mecánicas
Tribocromismo Fricción mecánica
Piezocromismo Presión
Catodocromismo Irradiación de un haz de electrones
Radiocromismo Radiación ionizada
Magnetocromismo Campo magnético
Biocromismo Interconexión con una entidad biológica
Cronocromismo Paso del tiempo
Agregacromismo Agregación de cromoforas
Cristalocromismo Cambios en la estructura cristalina de las cromoforas
A continuación se detalla en más profundidad los fenómenos más comunes y extendidos:
Materiales fotocrómicos
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).
3
Materiales cromoactivos
Nº 4, 2010
Es uno de los fenómenos cromoactivos más antiguos, existen registros desde 18802.
Aplicaciones: seguridad (tinta invisible, detección de documentos), publicidad (carteles, camisetas, zapatos, cordones, bolsos, folletos, etc.) y en óptica (lentes).
Imagen: lente fotocrómica 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 absorción y, generalmente, de color, al cambiar su estado de oxidación por la aplicación de una diferencia de potencial externa.
Aplicaciones: automoción (espejos retrovisores antideslumbrantes), ventanas inteligentes y pantallas.
Imagen: Cristal Líquido. El mecanismo de conmutación óptica en cristales líquidos es cambiar la orientación de las moléculas de cristal líquido ínter esparcidas entre dos electrodos conductores con la aplicación de un campo eléctrico. Su funcionamiento es ON-OFF. Su mayor aplicación está en los acristalamientos. La energía de estimulación es de carácter eléctrico. Es un proceso reversible.
Fuente: Modelamiento y control de una ventana de material cromogénico, J.A. Andrade Hernandez, Universidad de Colombia.
Materiales termocrómicos
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. Además pueden ser reversibles o cambiar de color permanentemente con el incremento de temperatura,
2 Modelamiento y control de una ventana de material cromogénico, J.A. Andrade Hernandez, Universidad de Colombia.
4
Materiales cromoactivos
Nº 4, 2010
en función del pigmento que se incorpore. Normalmente son materiales de naturaleza semiconductora.
Igual que en el caso de los materiales fotocrómicos, los termocrómicos son antiguamente conocidos, datando su descubrimiento en la década de 1870.
A pesar de que el termocromismo ha suscitado gran interés comercial, el mecanismo de funcionamiento no está todavía bien definido y por tanto quedan algunos obstáculos 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 termocrómicos no han sido explotados es que la mayoría 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: señalización (etiquetado/control temperatura-cadena frío-), seguridad (tuberías y conducciones, elementos peligrosos, etc.), artículos de hogar (envases microondas, sartenes, placas calefactoras, vasos, jarras, etc.), juguetería (cromos que al frotar muestran una imagen), pinturas, textiles y arquitectura.
Imagen: acristalamiento autoregulador para protección solar; Temperatura superficial izquierda:
25ºC, derecha: 37ºC.
Fuente: Instituto Fraunhofer
II. Palabras clave Las palabras clave utilizadas para la elaboración de este boletín han sido:
Chromogenic Cromoactivo
Electrochromic Electrocrómico
Thermocromic Termocrómico
Photochromic Fotocrómico
5
Materiales cromoactivos
Nº 4, 2010
Visión Actual Publicaciones
En este apartado se ha realizado una búsqueda en la base de datos Web of Knowledge, de aquellas publicaciones que se han llevado a cabo en materia de materiales cromoactivos desde el año 1980 hasta la actualidad, para así observar la evolución y el interés que ha generado este tipo de materiales en la investigación.
En primer lugar se ha procedido a una búsqueda 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 gráfico de evolución:
Fuente: Elaboración propia, con datos de la Web of Knowledge
En el gráfico se observa un estancamiento en el crecimiento de publicaciones hasta el año 1991, a partir de ese año, se muestra una tendencia positiva, con lo que se desprende que este tipo de materiales han ido ganando interés en las dos últimas décadas.
A continuación se ha realizado el mismo procedimiento anterior pero atendiendo a cada uno de los tipos más comunes con las palabras clave: electrochromic, photochromic y thermochromic.
Con cada una de la búsquedas realizadas se ha confeccionado un gráfico, para observarlos por separado.
El resultado para la búsqueda de materiales electrocrómicos fue de 5.083 publicaciones, y la tendencia es similar al caso general, existiendo algunos picos para determinados años.
6
Materiales cromoactivos
Nº 4, 2010
Fuente: Elaboración propia, con datos de la Web of Knowledge
Seguidamente, se muestran los resultados obtenidos para los materiales fotocrómicos. El número de publicaciones encontradas es de 6.174, superior al caso de los electrocrómicos. También se observa un crecimiento considerable a partir de 1991, posiblemente debido al descubrimiento de nuevas aplicaciones.
Fuente: Elaboración propia, con datos de la Web of Knowledge
La última búsqueda se ha realizado para los materiales termocrómicos y los resultados obtenidos han sido un total de 1.597, una cantidad de publicaciones reducida si la comparamos con la de los materiales electrocrómicos y fotocrómicos.
En el gráfico se muestra un interés creciente desde el año 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 función de haberse ido solucionando, las investigaciones han ido ganando interés. Aún así, el nivel de desarrollo de estos materiales todavía está muy por debajo de los anteriores.
7
Materiales cromoactivos
Nº 4, 2010
Fuente: Elaboración propia, con datos de la Web of Knowledge
Haciendo una búsqueda desde el año 2005 hasta la actualidad, para obtener datos más recientes y las últimas investigaciones realizadas en este ámbito, se han obtenido un total de 6.868 publicaciones, siendo las instituciones que poseen un mayor número de publicaciones las que se detallan a continuación:
POSICIÓN INSTITUCIÓN Nº ARTÍCULOS
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
8
Materiales cromoactivos
Nº 4, 2010
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 científicos de diferentes nacionalidades.
En España, las instituciones que tienen más publicaciones relacionadas con los materiales que se tratan en el boletín son, por orden: la Universidad Politécnica de Valencia, Universidad de Valencia, Universidad de Murcia, Universidad de Burgos, Universidad Carlos III de Madrid y Universidad de Zaragoza.
Para ver más a fondo cuáles son los países más interesados en este tipo de materiales se ha realizado el siguiente gráfico correspondiente al número de publicaciones por países.
Fuente: elaboración propia, con datos de la Web of Knowledge
Según los datos obtenidos, Estados Unidos es el país que en los últimos 5 años está publicando e investigando más en este tema, seguido de China y Japón, España representaría casi el 3% mundial.
9
Materiales cromoactivos
Nº 4, 2010
Por último, en el apartado de artículos, cabe destacar aquellos de más relevancia. Para determinarlo se ha establecido el criterio de importancia mediante el número de citaciones producidas en otros documentos. De esta manera, se ha conseguido la lista de los siguientes cinco artículos:
Título Autor Fuente Vol. Nº Pág. 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 continuación se detallan algunos de los libros más recientes dedicados a los materiales cromoactivos:
Título Autor Editor Año edición
Chromic Phenomena, Technological Applications of Colour Chemistry
Bamfield, Peter; Hutchings, Michael G
RSC Publishing 2010
Thermochromic Phenomena in Polymers Seeboth, Arno; Lötzsch, Detlef
Smithers Rapra Technology Limited
2008
Electrochromic Materials and Applications A.Rougier; D. Raugh; G.A. Nazri
The Electrochemical Society
2003
10
Materiales cromoactivos
Nº 4, 2010
Photochromism, molecules and systems Dür, Heinz: Bouas-Laurent, Henri
Elseiver 2003
Handbook of inorganic electrochromic materials
C.G. Granqvist Elseiver 2002
Patentes
Para elaborar el apartado de publicación de patentes se ha operado de igual modo que en el apartado de artículos.
Se ha realizado una búsqueda en la base de datos Web of Knowledge (Derwent Innovation), de las patentes publicadas con relación a los materiales cromoactivos desde el año 1980 hasta la actualidad para mostrar la evolución en innovación de este tipo de materiales.
En primer lugar se ha procedido a una búsqueda general mediante las palabras clave: chromogenic OR thermochromic OR photochromic OR electrochromic.
Se han obtenido un total de 15.147 patentes publicadas desde el año 1980 hasta la fecha actual. El siguiente gráfico muestra dicha evolución:
Fuente: elaboración propia, con datos de la Web of Knowledge
Este gráfico muestra una tendencia positiva a partir del año 1997, unos años después que en el caso de los artículos que muestra esta tendencia a partir del año 1991.
A continuación se muestran los diferentes resultados obtenidos para cada tipo de materiales, esto es, materiales electrocrómicos, fotocrómicos y termocrómicos, utilizando sus respectivas palabras clave: electrochromic, photochromic y thermochromic.
11
Materiales cromoactivos
Nº 4, 2010
Fuente: elaboración propia, con datos de la Web of Knowledge
Se obtuvieron un total de 7.667 patentes de materiales electrocrímicos y como se observa en el gráfico, la publicación de patentes sobre este tema fue perdiendo interés hasta 1996, a partir del cual se muestra una tendencia positiva hasta los últimos años.
Fuente: elaboración propia, con datos de la Web of Knowledge
Para los materiales fotocrómicos se obtuvieron 5.045 patentes que muestran una clara tendencia positiva.
12
Materiales cromoactivos
Nº 4, 2010
Fuente: elaboración propia, con datos de la Web of Knowledge
En este caso, igual que en el caso de la búsqueda de artículos, se han obtenido menos resultados que para los otros tipos de materiales, únicamente 868 patentes, lo que quiere decir que no tienen tanto interés 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.
13
Materiales cromoactivos
Nº 4, 2010
A continuación se ha realizado, con las patentes publicadas desde 2005 hasta la fecha actual, un ranking de los países en que estas patentes tienen efecto:
POSICIÓN PAÍS NºPATENTES
1 ESTADOS UNIDOS 2383
2 SOLICITUD MUNDIAL 962
3 SOLICITUD EUROPEA 893
4 JAPÓN 545
5 CHINA 436
6 COREA 363
7 CANADÁ 125
8 ALEMANIA 123
9 AUSTRALIA 112
10 GRAN BRETAÑA 39
11 MEXICO 34
12 RUSIA 27
13 TAIWAN 22
14 SUÁFRICA 17
15 HONG KONG 11
Esta lista muestra una gran diferencia entre Estados Unidos y el resto de países, con lo que se desprende que el mercado de productos con aplicaciones crómicas es mayor en este país.
A continuación se detallan los solicitantes que más han publicado en cuanto a registro de patentes, desde el año 2005 hasta la fecha actual:
POSICIÓN SOLICITANTE Nº 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
14
Materiales cromoactivos
Nº 4, 2010
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 fotocrómicos para lentes, que cambian de tono cuando incide la luz sobre ellos y la segunda tiene un espejo retrovisor antideslumbramiento para automóviles. Estos, junto con las ventanas inteligentes son, de momento, los productos o aplicaciones estrella de este tipo de materiales.
A continuación se ha realizado un listado de las últimas patentes publicadas relacionadas con el tema:
NºPUBLICACIÓN SOLICITANTE PAÍS ORÍGEN
CONTENIDO TÉCNICO
US2010329950 SKYRAD LTD ISRAEL Dispositivo desechable de medición de radiación UV.
US2010330868 PAYNE JULIAN ESTADOS UNIDOS
Juguete que tiene un spray para agua.
US2010328751 KONDOU YOSHIROU, AND OTHERS
JAPÓN Dispositivo de pantalla electrocrómico y su método de fabricación.
15
Materiales cromoactivos
Nº 4, 2010
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 iluminación ambiental.
Fecha inicio / fecha final: 01-08-2006 / 31-07-2010
Entidad financiadora: Comisión Europea. FP6.
Coordinación: Ntera Limited
http://www.ntera.com
Innovative switchable shading appliances based on nanomaterials and hybrid device configurations
El proyecto se basa en la reducción del coste de producción, reducción del consumo y aumentar la respuesta de los dispositivos electrocrómicos para la regulación de luz.
Fecha inicio / fecha final: 01-09-2008 / 31-08-2012
Entidad financiadora / Programa: Comisión Europea. FP7.
Coordinación: 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 químicos cromo-fluorogénicos
El proyecto está relacionado con el desarrollo de nuevos sensores químicos moleculares avanzados para el reconocimiento cromogénico y/o fluorogénico de especies químicas de interés (especialmente aminoácidos, carboxilatos y aminas).
Fecha inicio / fecha final: 04-11-2010 / 03-11-2011
Entidad financiadora / Programa: Comisión Europea. FP7.
Coordinación: 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 fotocrómicos para dispositivos electrónicos y medicamentos para el cáncer en estado sólido.
16
Materiales cromoactivos
Nº 4, 2010
Fecha inicio / fecha final: 01-09-2008 / 31-08-2013
Entidad financiadora / Programa: Comisión Europea. FP7.
Coordinación: 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 autónomo inteligente que integre células solares, sistemas auxiliares de almacenamiento de energía como el control climático termoeléctrico, cristales electrocrómicos, iluminación LED y actuadores que permitan incrementar el confort y el ahorro de combustible tanto para vehículo eléctrico como para el de combustión.
Fecha inicio / fecha final: 01-11-2010 / 31-10-2013
Entidad financiadora / Programa: Comisión Europea. FP7.
Coordinación: 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 exposición a una explosión
Noviembre 2010
Investigadores de la Universidad de Pensilvania han desarrollado un parche para el casco de los militares que indica la exposición que ha sufrido el soldado a las ondas expansivas de las bombas.
El parche tiene una nanoestructura iridiscente. La exposición a una explosión interrumpe la nanoestructura y como resultado se obtiene un cambio de color.
Este parche podría cambiar de color en función del nivel de exposición a la onda expansiva de la explosión, ayudando a determinar rápidamente el daño cerebral que podría haber sufrido el soldado y el nivel necesario de la intervención médica.
Otras posibles aplicaciones incluyen el uso de los sensores para la protección de estructuras, vehículos y equipos para uso militar y civil.
http://www.theengineer.co.uk/news/colour-patches-indicate-soldiers-blast-exposure-level/1006322.article#ixzz19zXu3puP
17
Materiales cromoactivos
Nº 4, 2010
Crean unas gafas que cambian de color mediante electricidad
Abril 2009
Científicos de la Universidad Carlos III de Madrid participaron en el diseño de unas gafas inteligentes que cambian de color en segundos según la tensión aplicada mediante cristales elctrocrómicos para filtrar la luz y mejorar la agudeza visual de personas con baja visión.
Las lentes incorporan unos filtros de luz que cambian automáticamente gracias a un conjunto de sensores que captan el nivel y tipo de iluminación (sol, halógeno, tungsteno…) y aplican una tensión sobre unos cristales que cambian de color cuando se les aplica una carga eléctrica (electrocrómicos). El dispositivo también 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 energética de vidrios especiales en viviendas
Junio 2009
Investigadores del departamento de Construcción y Tecnología Arquitectónicas de la Universidad Politécnica de Madrid han desarrollado un nuevo método de ensayo que permite medir las variaciones térmicas en condiciones reales de soleamiento y de intemperie. Esto mejora la precisión en el cálculo del balance energético de un edificio, uno de los problemas que hasta ahora tenían este tipo de ensayos.
Aunque todavía están en fase experimental, existen vidrios especiales que podrían aportar mejoras a la eficiencia energética de los edificios. Por ejemplo, aquéllos que pueden cambiar sus propiedades de transmisión lumínica frente a diferentes estímulos, como la aplicación de una corriente eléctrica 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 translúcidos, lo que permite eliminar cortinas o persianas. Sin embargo, su aportación al ahorro energético es aún desconocida.
http://www.plataformasinc.es/esl/Noticias/Eficiencia-energetica-de-vidrios-especiales-en-viviendas
Entidades que colaboran en la elaboración del Boletín:
Fundación OPTI
ASCAMM