Materiales inteligentes e ingeniería de superficies · 120 las megatendencias tecnolÓgicas...

8Joaquín Oseguera

Olimpia SalasAlex Elías

Horacio AhuettCiro Rodríguez

Materiales inteligentes e ingeniería de superficies

8.1.1 DefiniciónMateriales cuyas propiedades eléctricas, mecánicas, acústicas o cuya estructura, composición o funciones cambian de manera específica en respuesta a un estímulo proveniente del ambiente. Este cambio debe ser predecible y capaz de ser incorporado como tecnología en productos comerciales.

La ingeniería de superficies se refiere a la modificación de la super-ficie de cualquier material para producir componentes con una combi-nación única de propiedades que mejoren –de manera predecible- su desempeño, impacto en el ambiente y costo.

Existen principalmente 5 diferentes tipos de materiales inteligen-tes, también utilizados en la ingeniería de superficies: piezo-cristales (pzt), metales con efecto memoria, metales magneto-resistivos, vi-drios electro-crómicos y los polímeros electro-activos y de efecto memoria.

8.1.2 DetonadoresLos principales impulsores de la megatendencia son los avances en las disciplinas involucradas, que incluyen: ciencia de superficies, técnicas

8.1 Descripción

Se prohíbe la reproducción total o parcial de este documento por cualquier medio, sin el previo consentimiento otorgado por escrito del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey a cualquier persona y/o actividad que sean ajenas al mismo.

120LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS

CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES

de vacío, magnetismo, caracterización de superficies, plasmas, electrónica, biotecnolo-gía, catálisis y sobretodo los avances en nanotecnología.

8.1.3 Comportamientos tecnológicosEl impacto de la ingeniería de superficies se puede medir a través del número de sectores donde tiene aplicaciones. Se han identificado al menos 15 sectores primarios donde esta disciplina es un importante recurso tecnológico, incluyendo los biomateriales, la generación de energía, la transformación de metales, la electrónica, la extracción de petróleo, la industria automotriz, la aeronáutica y la alimentaria. Por ejemplo, un estudio hecho en Inglaterra indica que el 80% de las industrias aeronáutica y automotriz depende de la ingeniería de superficies y se ha reconocido que es uno de los métodos más importantes para diferenciar un producto en términos de calidad, desempeño y costo. Adicionalmente, el progreso en esta disciplina ha permitido a su vez el desarrollo de tecnologías emergentes muy relevantes en las economías actuales por ejemplo los mems4, el almacenamiento de datos y las fibras ópticas.

Actualmente algunas industrias están estrechamente vinculadas a la utilización de superficies y materiales inteligentes, como la aeronáutica, en donde la eficiencia de los motores no se puede aumentar sin el uso de barreras térmicas aplicadas en las superficie de componentes sometidos a altas temperaturas y cargas. Otro ejemplo es el desarrollo de recubrimientos protectores para ambientes carburizan-tes, que ha requerido del desarrollo de modelos termodinámicos para aumentar las bases de datos de corrosión en estos ambientes. Así también, la adaptación de la espectrocopía molecular ha permitido analizar in-situ los productos de la corrosión aumentando al mismo tiempo el rango de aplicaciones para esta técnica de análisis (Argonne, 2007)

Existen diversos tipos de materiales inteligentes que están establecidos a nivel co-mercial, ya que las aplicaciones potenciales de estas tecnologías abarcan múltiples in-dustrias. En México hay oportunidades en diversas áreas, particularmente en la industria aeronáutica, en el desarrollo de la bio-medicina, para las aplicaciones de los bio-materia-les y en la industria automotriz. Esta megatendencia está influenciando muchos produc-tos industriales y de consumo.

Por otro lado, la diversidad ambiental y el cambio climático generan la demanda del diseño de materiales vinculados con las propiedades y condiciones en que actuarán. Además, debido a la pérdida de la calidad de ciertos instrumentos se diseñan mejores técnicas de análisis de corrosión y desarrollo de recubrimientos protectores. También, para mejorar las superficies se está diseñando la aplicación de tratamientos termoquí-micos convencionales y asistidos por plasmas. Para la caracterización superficies y ma-teriales se incrementa el uso de difracción de rayos X, la microscopía de campo y la

4) Sistemas micro-electro-mecánicos




microscopía de tunelaje. Finalmente se han utilizado diversas formas de interacción de la radiación con la materia para caracterizar estructuralmente los materiales y superficies

A continuación se presentan ejemplos de la manera en que industrias existentes han introducido el uso de materiales inteligentes. Se discuten también casos en que estas aplicaciones pueden ampliarse.

8.1.3.1 BiomaterialesLa biocompatibilidad de un material es quizá su propiedad más importante cuando éste es usado como prótesis en la medicina y en el campo dental. La biocompatibilidad signi-fica que el material no es tóxico, es decir, que no genera una reacción de rechazo cuando es implantado en el cuerpo. Antes de la aparición de los materiales inteligentes y debi-do a las rigurosas demandas de las propiedades del material para biocompatibilidad, sólo tres materiales metálicos habían sido autorizados para usarse como materiales para implantes: Fe–Cr–Ni, Co–Cr and Ti–Al–V. Las investigaciones realizadas en la compati-bilidad del Ti–Ni (nitinol), material con efecto memoria, demuestran que éste tiene una resistencia a la corrosión superior a otros materiales metálicos. Esto se debe a la forma-ción de capas pasivas de óxido de titanio (TiO2). Esta cualidad permite el uso extensivo de brackets de nitinol en la industria dental, por ejemplo. Se ha reportado también el uso de grapas para unir hueso en el campo de la medicina. De igual manera, esta propiedad permite el desarrollo de equipo quirúrgico y de dispositivos médicos.

A partir de materiales inteligentes se ha desarrollando equipo de diagnóstico y far-macéutico para tratamientos, así como prótesis. Ejemplos típicos son las pinzas para biopsias y stents (cubiertas intra-arteriales) de nitinol.

8.1.3.2 Estructuras inteligentesLas estructuras inteligentes son compuestos de materiales que incorporan las fun-ciones particulares de sensores y actuadores para desarrollar acciones inteligentes que permiten detectar y prevenir fallas en éstas. Los cinco componentes básicos de una estructura son: adquisición de datos (sensores táctiles), transmisión de datos (nervios sensores), unidad de comando y control (cerebro), instrucciones de datos (nervios motores) y mecanismos de acción. El desarrollo de estructuras con base en materiales inteligentes ha sido explorado en los campos de la construcción, la aeronáutica y la industria automotriz. Por ejemplo, existen puentes equipados con sensores para monitorear la propagación de fracturas, desplazamiento de juntas, vibración y corrosión.

8.1.3.3 Tecnología electrónica automotrizLa principal área de aplicación es en sensores, entre los que destacan los sistemas micro electro-mecánicos o mems, utilizados en el sistema de antibloqueo (abs); en el sistema de sensado de los cinturones de seguridad; en la detección de apertura y




cierre del quemacocos y en la detección de las condiciones hidráulicas de los sistemas abs y vso, por citar algunos ejemplos. Estos sensores utilizan generalmente materiales piezo resistivos (pzt).

8.1.3.4 Estructural en el campo automotrizLa empresa General Motors tiene como objetivo para el 2010 el desarrollo de aleaciones de memoria de forma y de polímeros para integrarlos en los nuevos diseños de vehí-culos, donde se desea aprovechar la ventaja de estos materiales para manipular sus propiedades. En particular, la capacidad para recuperar la forma y rigidez cuando son sometidos a un proceso de calentamiento, a un campo magnético o a una fuente de voltaje pueden ser útiles después de un impacto.

Otro ejemplo de los resultados que gm ha obtenido es el desarrollo de suspen-siones semi-activas (Delphis’s MagneRide). Ésta ha demostrado las bondades que existenten al utilizar fluidos magnetoreológicos, los que presentan una rápida res-puesta ante diferentes situaciones de manejo. Su aplicación permite la eliminación de válvulas electromecánicas y una mayor versatilidad de los amortiguadores (al poder cambiar hasta 1,000 veces por segundo el parámetro de viscosidad). El re-sultado final es un incremento en la seguridad y en el nivel de control de estabilidad del vehículo.

8.1.3.5 VibracionesLas vibraciones y el ruido de transmisión estructural constituyen uno de los problemas fundamentales cuando se quiere mejorar el confort en los medios de transporte, au-mentar la vida útil de elementos y componentes o cuando se pretende reducir las vibra-ciones en procesos en máquinas-herramienta para mejorar la calidad de los acabados superficiales. La solución del problema de la transmisión de vibraciones estructurales se puede abordar ya sea controlando las fuentes o impidiendo el paso de las vibraciones a través de los elementos de conexión. En este último caso, el aislante debe mantener dos cualidades que son generalmente excluyentes: capacidad de filtrado de vibraciones y sacrificar rigidez estructural. Para lograr estas características, se han utilizado materiales piezocerámicos monolíticos embebidos en una matriz viscoelástica o fibras con matriz polimérica. Además de añadir la resistencia del material base, la flexibilidad de la matriz polimérica permite la confortabilidad en las superficies curvas y proporciona una coraza de protección alrededor del material piezoeléctrico.

En la medida en que los diseñadores de productos tengan un mejor entendimiento de las cualidades de los Materiales Inteligentes, sus aplicaciones habrán de incrementar-se. En la actualidad, la aplicación y cualidades de estos materiales no forman parte de los cursos de enseñanza regulares de entrenamiento de ingenieros. Esto es particularmente cierto en México.




Por otro lado, algunas de las áreas en las que existe un potencial inmediato para la aplicación de materiales inteligentes son:

Carreteras inteligentes / ingeniería civilEl beneficio de construir un sistema de transporte inteligente tendrá un tremendo impacto en la productividad. El principal objetivo en sistemas de automatización mediante el uso de carreteras inteligentes es el mejoramiento de seguridad y reducción de accidentes de tráfico.

Transductores / electrónicaActualmente el crecimiento en el mercado de transductores ha sido rápido y se predice que continuará a su actual paso. El mercado de sensores era de $5 mil millones de dólares en 1990, y creció a $13 mil millones de dólares con un crecimiento anual del 8% durante la siguiente década. Los sensores piezo-eléctricos y electro-restrictivos abarcan una porción significativa del mercado de transductores fundamentalmente debido a la producción automotriz, amortiguamiento de vibraciones activas y la generación de imá-genes médicas.

Baterías / electrónicaLas baterías son la principal fuente de poder. Actualmente el mercado de las baterías excede los $30 mil millones de dólares por año. Los rápidos avances tecnológicos y miniaturización en electrónica han creado un incremento de la demanda por baterías compactas e iluminación. Ejemplos de dispositivos portátiles son celulares, laptops, computadoras y cámaras de video las cuales requieren baterías de alta densidad de energía. El desarrollo de baterías de alta densidad de energía está siendo posible debido al desarrollo de materiales inteligentes y procesos.

Actuadores electromecánicos / equipo quirúrgicoEl desarrollo de actuadores electromagnéticos de precisión ha crecido de manera im-portante. La principal ventaja de estos actuadores es su alta precisión, en el orden de los 10 nanómetros, rápida respuesta en el tiempo (10 μs) y alta fuerza regenerativa con baja propulsión. Estas propiedades de los actuadores electromagnéticos hacen que sean atractivos para sistemas ópticos, maquinaria de precisión y pequeños motores de alta potencia.

8.2 Temas de investigación

Temas de investigación sobresalientes a nivel mundial:




Tabla 8.1 Temas de investigación

El uso comercial de tecnología ultrasónica de imágenes

Transductores magnetorestrictivos en equipo industrial

Terminación magnetoreológica (MRF), tecnología de afinamiento de superficies

Sistemas de control de ruido en equipo industrial

Investigación de estructuras adaptables y compositos inteligentes

Fluidos magnetoreológicos (ERF), fluidos que cambian de viscosidad debido a una carga eléctrica

Fuente: Elaboración propia.

En México, de acuerdo a datos del 2003, menos de 5 de los más de 500 proyec-tos que recibieron apoyo en la convocatoria de Ciencias Básicas de conacyt podrían considerarse como asociados a materiales inteligentes. Entre las líneas de investigación relacionadas que se reportan en la actualidad se encuentran:

Desarrollo de Materiales Electro-cerámicos (Centro de Materiales Avanzados • cimav)Caracterización de Bio-materiales (• ipn)

Para el 2006, hubo un incremente ligero, pues se identificaron 5 proyectos de entre los más de 500 apoyados a través de la convocatoria de Ciencias Básicas.

Polímeros opto-electrónicos para aplicaciones en holografía dinámica, • comunicaciones ópticas, celdas fotovoltaicas ($1,750,000 para el Centro de Investigaciones en Óptica)Sensores MEM para gasas ($335,000 Cinvestav)• Materiales catalíticos inteligentes para reducción de Nox ($2,200,000 • unam)Bio-materiales para remediación de aguas residuales ($1,300,000 • uam)Polímeros inteligentes para el encapsulamiento y liberación de sustancias bio-activas • ($1,140,00)

Se nota un interés por desarrollar materiales que permiten reducir la contaminación.

8.3 Tecnologías existentes

Las tecnologías asociadas con la ingeniería de superficies tiene diversas vertientes que pueden agruparse en dos conjuntos. El primer grupo está asociado con la síntesis de materiales, éste tiene como recurso principal los tratamientos termo-químicos asistidos por plasmas. El depósito físico de vapores, el depósito químico de vapores, el “plasma spray” y el plasma por arco, son ejemplos relevantes de este grupo de tecnologías. Es importante destacar que este grupo de desarrollos sostienen sus procesos con base en sistemas tecnológicos que requieren niveles de vacío importantes. En un segundo grupo se tienen los tratamientos termoquímicos convencionales, tal es el caso de la reacción




Tabla 8.2 Temas de investigación


gas-sólido, o variantes de esta, las post-descargas, las cuales producen especies neu-tras pero excitadas en diversas configuraciones electrónicas, para estas tecnologías la difusión de un elemento desde un gas hasta el sólido es el evento principal en el proce-so.

Dentro de las tecnologías existentes encontramos:

Recubrimientos dieléctricos de alta reflectividad y de carbono-boro-nitrógeno o a base de cromo-platino

Rociados térmicos, nitruración, inmersiones térmicas, pulverización catódica

Piezo-cerámicos, piezo-eléctricos y piezo-resistivos

Polímeros biocompatibles y conductivos

Luminiscencia en fibras ópticas

Estructuras multicapa

Depósitos por láser pulsado y por transferencia inducida por láser de biomoléculas

Ligamentos artificiales con nanoestructuras bioactivas

Materiales cerámicos y magnetorestrictivos

Difracción de rayos gama

Electrodeposiciones

8.4 Tecnologías emergentes

Algunas de las tecnologías emergentes en la megatendencia son:

Tabla 8.3 Tecnologías emergentes

Capas mecano-luminiscentes

Deposiciones pacvd asistidas por plasma ecr

Descargas deb arco

Interacciones haz de láser-sólido

Implantaciones por plasma nanocomposite de compuestos metálicos

Nanotubos de arcilla

Vaporizaciones con láser

Fluidos magnetoreológicos

Fusiones de polímeros

Tecnologías híbridas





Estados Unidos y el Reino Unido son los países líderes en investigación y uso de ma-teriales inteligentes. Lo anterior debido al alto presupuesto destinado por sus respectivos departamentos de defensa nacionales. Sin embargo, las aplicaciones van más allá del desarrollo de sistemas dedicados con fines bélicos, las áreas de biomedicina y transpor-te terrestre y aéreo han sido campo fértil para el uso de estos materiales.

Estos materiales abren posibilidades tecnológicas que pueden ser aplicadas en la generación de nuevos productos. Los materiales inteligentes fortalecen las tecnologías emergentes que tienen como objetivo crear sensores y actuadores que simplifiquen me-canismos, incrementen la eficiencia energética y reduzcan el volumen en los productos finales. Algunos ejemplos específicos de tecnologías emergentes se presentan a conti-nuación.

Motor Ultrasónico: basado en el movimiento del rotor a base de vibraciones excitadas a) en un estator por medio de efectos piezoeléctricos. La sincronización de las pulsaciones generadas por los actuadores piezoeléctricos producen velocidades de rotación ultrasónicas que pueden ser aplicadas en micro-maquinado con arranque de viruta, tales como micro-fresado y micro-taladrado.Polímeros estimulo-receptivos: la Universidad de b) Case Western Reserve con una inversión de $335,000 dólares, está realizando investigación en polímeros estimulo-receptivos los cuales cambian mediante la aplicación de un estímulo externo como cambios en su temperatura, fuerza iónica, ph, campos eléctricos y magnéticos o mediante análisis químico o biológico. Las principales aplicaciones son películas inteligentes en sensores, actuadores y dispositivos electro-ópticos.Materiales magnéticos inteligentes para sensores: la Universidad de c) Sheffield con un monto de €120,323 euros está realizando investigación en películas magnéticas

Pistola de iones de cátodos hollow (hollow cathode ion gun)

pvd Industrial

Matrices viscoelásticas

Multicapas moleculares

Tratamientos termoquímicos por difusión

Inmersiones iónicas en plasma

Recubrimientos en capa mcraly, sonaspray o spray forming

Superficies hidrofóbicas

Metal dusting

Fibras con matrices poliméricas

Impregnaciones por vacío

High energy Electron Synchroton Resonance

Películas nano-estructuradas




ultra-delgadas, la investigación presenta la oportunidad de establecer cómo es que diferentes técnicas de fabricación cambian las propiedades magnéticas y micro-estructuras de materiales inteligentes tales como las aleaciones FeCo y FeGa. Estos tienen aplicación práctica en discos magnéticos y memorias de computadora.Reducción retroalimentada de vibraciones mecánicas: mediante la aplicación d) de actuadores eléctricos se puede reducir e inclusive cancelar las vibraciones mecánicas de estructuras, tales como fuselajes de aviones. De esta manera, los aviones que entren a la zona de resonancia durante su vuelo podrán cancelar las vibraciones mecánicas que podrían generar inestabilidad durante su trayecto o inclusive una falla catastrófica; esto mediante un panel compuesto por tecnología basada en actuadores piezoeléctricos, conocido como panel de vibración supersónico (Flutter).Cancelación de ruido: el ruido es considerado una vibración acústica contaminante e) en el ambiente, que se requiere reducir o cancelar en aplicaciones tales como salas acústicas de grabación, cabinas interiores de aeronaves o áreas industriales con procesos de producción estruendosos. En estos ejemplos como en otros casos, las fuentes de ruido no pueden ser removidas y se requiere de sistemas activos de reducción o cancelación de ruido. Es decir, sistemas que no solo aislen el ruido sino que detecten su nivel actual y que por medios activos sean capaces generar vibraciones acústicas para disminuir o cancelar el ruido ambiental. La tecnología de generación de ondas sonoras mediante membranas excitadas con actuadores piezoeléctricos ha demostrado gran potencial para la disminución y cancelación de ruido con la posibilidad de aplicarse en áreas confinadas.Control de amortiguamiento activo: la tecnología de amortiguamiento activo de f) vibraciones basada en elastómeros y fluidos tiene grandes ventajas sobre los sistemas de amortiguamiento pasivo aplicado en la industria del transporte terrestre y aéreo. Los avances en el diseño de rotores de alta velocidad y bajo costo han provocado que se genere en poco tiempo un desbalanceo dinámico en los vehículos y naves. Este desbalanceo produce vibraciones que disminuyen la confortabilidad en el interior de los medios de transporte. Así, los sistemas de amortiguamiento activo se adaptan a las condiciones variables para disminuir el efecto de las vibraciones mecánicas y por lo tanto incrementar la confortabilidad. Los sistemas activos de amortiguamiento basados en elastómeros y fluidos magnetoreológicos además de ser adaptivos a las condiciones variables de vibraciones, son compactos con respecto a los sistemas convencionales.Sistemas de administración de medicamentos: los avances de la investigación g) biomédica han abierto campos potenciales de aplicación para polímeros biocompatibles. A través de los polímeros inteligentes para administración de sustancias, los desarrollos caen en dos categorías: regular externamente o sistemas pulsantes y sistemas regulados.




Impresión molecular: se están realizando investigaciones con el uso de polímeros h) para impresión molecular en combinación con fibra óptica luminiscente para crear sensores químicos altamente sensitivos. Este campo muestra promesas para el mercado de biosensores sintéticos.Visualización de la distribución de esfuerzos: la aplicación de recubrimientos i) inteligentes junto con capas de material con propiedades de mecano-luminiscencia para analizar esfuerzos dinámicos, no sólo da un nuevo método para una evaluación no destructiva de materiales, sino que ha abierto una ventana en el desarrollo de nuevos sistemas inteligentes y dispositivos opto-mecánicos. La función de estos dispositivos es grabar en imágenes el esfuerzo aplicado en una capa luminiscente.

8.5.1 Lista de productos y serviciosDentro de los productos y servicios generados por la megatendencia se encuentran den-tro de las áreas de medicina e industria las siguientes:

Tabla 8.4 Tecnologías emergentes

Tabla 8.5 Industria

Medicina

Recubrimientos de hidroxiapatita para prótesis médicas

Impresiones moleculares

Sistemas de administración de medicamentos

Biosensores


Industria

Absorbentes acústicos para zonas abiertas

Arreglos de sensores en aeronaves

Capas adherentes para aparatos mecánicos, conductoras, semiconductoras y aislantes para circuitos y dispositivos integrados

Barreras térmicas para turbinas aeronáuticas y de generación eléctrica

Baterías

Carreteras inteligentes

Circuitos y micro-estructuras

8.5 Productos y servicios




Industria

Cabezas lectoras y dispositivos de almacenamiento de datos

Conductos de agua caliente aislados térmicamente

Empaques de alimentos y bebidas recubiertos para evitar la difusión de humedad y acción de la luz

Metalización de grifos y tuberías

Motores ultrasónicos para robótica

Pantallas de televisión y de computadoras

Protección de herramientas de corte de alta velocidad y contra la corrosión a alta temperatura

Recubrimientos decorativos sobre metales y plásticos y duros para piezas móviles del motor

Herramientas de visualización de la distribución de esfuerzos

Pisos inhibidores de desarrollo de microorganismos

Válvulas y llaves de paso recubiertas con níquel-teflón

Trenes de levitación magnética (MAGLEV)

Aluminizado de manijas, cerraduras.

Atenuación del ruido del fuselaje de un avión

Recubrimientos de llantas, manillas, espejos, ventanas, faros con materiales más resistentes a la luz, agua, frotamiento, fricción

Control de amortiguamiento activo/pasivo en aeronaves y de vibraciones

Capacitores

Celdas electrovoltaicas

Componentes de automóviles metalizados

Cristales recubiertos con celulosa como aislante acústico

Pinturas de autos con mayor resistencia al agua y al sol

Paredes, pisos y muros con impenetrabilidad a polvo o microorganismos

Piezas aeroespaciales con aleación de aluminio

Dispositivos semiconductores

Plásticos resistentes al calor

Recubrimientos tribológicos para piezas móviles de bombas y compresores, sensores y prótesis

Recubrimientos anti-reflejante para lentes e instrumentos ópticos

Vidrios para ventanas con recubrimiento térmico y óptico

Transductores para sensores de vibraciones activas

Tubos para cañerías resistentes a la corrosión

Sensores de frenado para autos


8.5.2 Proyectos de inversiónDentro de los principales proyectos se encuentran:




Desarrollo de automóviles ligeros, a través de materiales que proporcionan gracias a a) esta característica un mejor desempeño.Desarrollo de lubricantes sólidos para la industria automotriz, estos recubrimientos b) disminuyen notablemente la fricciónDesarrollo de herramientas de alto rendimiento, ya que los recubrimientos superduros c) proporcionan una resistencia superior al desgasteDesarrollo de turbinas de mayor eficiencia para la industria aeronáutica: los d) recubrimientos de barreras térmicas permiten una mayor temperatura de operación en las turbinas aumentando su eficiencia.Desarrollo de materiales biocompatibles para la industria médicae) Desarrollo de dispositivos para almacenamiento de datos en la industria de la f) electrónica, ya que los depósitos de materiales especiales permiten obtener una mayor capacidad de almacenamiento de datos.Empaques en la industria alimenticia, con capacidad de respuesta ante fechas de g) caducidad, apertura del empaque y no toxicidad.Desarrollo de nuevos materiales para maquinaria diesel de alto rendimientoh) En la arquitectura, desarrollo de recubrimientos estéticos y con propiedades ópticas i) específicas que aumenten la funcionalidad de los diseños.Desarrollo de materiales cerámicos e innovación de compuestos: El centro para j) materiales avanzados y estructuras inteligentes de la Universidad de Norte de Carolina, está invirtiendo $3,871,172 dólares en realizar investigación en el desarrollo de materiales cerámicos, con aplicaciones en componentes estructurales, energía, barreras térmicas (aislantes), componentes electrónicos, sensores. Los materiales cerámicos estructurales pueden ser utilizados en aplicaciones de altas temperaturas, los materiales cerámicos inteligentes y parches piezo-cerámicos, además, pueden sujetarse a las superficies externas de estructuras o ser directamente implantados en el material para obtener mediciones del comportamiento estructural. El mercado mundial de estos materiales es de $8.6 miles de millones de dólares por año.Sensores electromagnéticos inteligentes para identificación de daños en estructuras y k) materiales: La Universidad de Dartmouth está invirtiendo $271,835 dólares en mejorar el desempeño de sensores electromagnéticos incrementando la sensibilidad en el control por medio de materiales inteligentes “Magnetostrictive”, el cual explota la relación entre la ganancia de control con retroalimentación y los parámetros que caracterizan el sistema de la geometría del daño. Estos sensores pueden usarse para detectar fallas en sistemas mecánicos y civiles, así como en el seguimiento de desperfectos crecientes bajo cargas aleatorias. El mercado global para el desarrollo de sensores fue de $5.7 miles de millones de dólares en el 2006 y se estima que crecerá a $9.4 miles de millones de dólares para el 2012 con una tasa de crecimiento anual del 6.4%. Sensores para glucosa (industria biomédica): Los sensores biomédicos están basados l) en el rápido avance en películas químicas delgadas, tejidos finos e ingeniería celular. Es




previsible que los sensores biológicos puedan ser hechos usando enzimas complejas o reacciones celulares. Se vislumbra la aplicación de polímeros inteligentes en estos dispositivos en el lazo de retroalimentación, ya sea trasmitiendo una señal o respondiendo directamente a la anormalidad, por ejemplo en combinación con depósitos de drogas. Algunos de los desafíos para el desarrollo de materiales para sensores biomédicos incluyen mejoras en biocompatibilidad, tiempo de vida del sensor, minimizar las señales, maximizar la sensibilidad, desarrollo de la capacidad para ajustar los sensores en vivo y utilizar materiales que sean estériles o esterilizables. En la actualidad el monitoreo de glucosa en la sangre en los Estados Unidos asciende aproximadamente a $750 millones por año y crece a una tasa de 10% por año. Actualmente se están desarrollando sistemas para liberar enzimas sensibles a la glucosa utilizando materiales inteligentes. El uso de estos materiales permite entonces el monitoreo y la administración de medicamento.

Una aplicación importante para generar este tipo de biomateriales es para eliminar el cáncer. Debido a que el cáncer es una de las principales enfermedades en el mundo. Varias terapias tales como radioactivas y quimioterapia han sido desarrolladas para eli-minar el cáncer o tumores. Sin embargo el tratamiento por sí mismo es peligroso para los pacientes debido a que los productos químicos para la quimioterapia son bastante tóxicos. Por lo que la Universidad de Keele está invirtiendo €207,072 anuales en investi-gaciones para desarrollar pequeñas nano-cápsulas que puedan contener agentes anti-cáncer, estas cápsulas incluyen nano-partículas magnéticas que puedan mover la célula con cáncer o tumor mediante un magneto externo.

Como puede observarse, las aplicaciones que han recibido mayor atención se en-cuentran en industrias en las que el desempeño funcional es de suma importancia: Ae-roespacial y Biomedicina. Se menciona una aplicación emergente: monitoreo y control de daños en estructuras. A nivel de tecnología, los dispositivos que mayor uso hacen de los materiales inteligentes son los sensores y actuadores, que ven su desempeño mejorado. En el caso de instrumentos quirúrgicos, las propiedades químicas de estos materiales han permitido el incremento en el uso de estos materiales.

8.6 TaxonomíaTabla 8.6 Taxonomía

Área de aplicación Área de aplicación específica Tecnología Productos y servicios

Medicina Biomateriales Depósitos por láser pulsadoRecubrimientos de hidroxiapatita para prótesis médicas





Medicina Biomateriales

Depósitos por transferencia inducida por láser de biomoléculas

BiosensoresDescargas deb arco

Vaporización con láser

Polímeros biocompatibles Sistemas de administración de medicamentos

PolímerosImpresión molecular

Luminiscencia en fibra óptica

Industria

Microelectrónica y semiconductores

Electrodeposición

Capas conductoras, semiconductoras y aislantes para circuitos y dispositivos integrados

Materiales magnéticos Cabezas lectoras y dispositivos de almacenamiento de datosEstructuras multicapa

Recubrimientos dieléctricos de alta reflectividad

Celdas electrovoltaicas

Capacitores

Inmersión iónica en plasma Pantallas de televisión y de computadorasInteracción haz de láser-sólido

Piezoeléctricos Baterías

Impregnación por vacíoCircuitos y micro-estructuras

Piezoeléctricos

Ligamento artificial con nanoestructura bioactiva Dispositivos semiconductores

Polímeros conductivos Arreglo de sensores en aeronaves

Piezoresistivos

Sensores de frenado para autos

Transductores para sensores de vibraciones activas

Piezoeléctricos Motor ultrasónico para robótica

Productos de consumo

Electrodeposición Recubrimientos decorativos sobre metales y plásticos

Rociado térmico Pisos inhibidores de desarrollo de microorganismos

Paredes, pisos y muros con impenetrabilidad a polvo o microorganismos





Industria

Productos de consumo

Materiales cerámicos Vidrios para ventanas con recubrimiento térmico y óptico

Rociado térmicoCristales recubiertos con celulosa como aislante acústico

Recubrimiento (sonaspray) Absorbentes acústicos para zonas abiertas

Multicapas molecularesRecubrimientos anti-reflejante para lentes e instrumentos ópticos

Ingeniería y Metalurgia

Fusión de polímeros

Empaques de alimentos y bebidas recubiertos para evitar la difusión de humedad y acción de la luz

Materiales magnetoestrictivos Carreteras inteligentes

Piezocerámicos monolíticosAtenuación del ruido del fuselaje de un aviónMatrices viscoelásticas

Fibras con matriz polimérica

Piezoeléctricos Control de vibraciones

Fluidos magnetoreológicos Control de amortiguamiento activo/pasivo en aeronaves

Capas mecano-luminiscentes Visualización de la distribución de esfuerzos

Spray forming Piezas aeroespaciales con aleación de aluminio

Aplicaciones cerámicas

Nanotubos de arcilla Plásticos resistentes al calor

Recubrimientos en capa McrALI

Barreras térmicas para turbinas aeronáuticas y de generación eléctrica

Recubrimientos a base de cromo-platino

Materiales cerámicos

Materiales cerámicos Conductos de agua caliente aislados térmicamente

Superficies / catálisis

Metal dusting Protección contra la corrosión a alta temperatura

Rociado térmico

Recubrimiento de llantas, manillas, espejos, ventanas, faros con materiales más resistentes a la luz, agua, frotamiento, fricción





Industria

Superficies / catálisis

Superficies hidrofóbicas Pintura de autos con mayor resistencia al agua y al sol

Niquelado químico Válvulas y llaves de paso recubiertas con niquel-teflon

Electrodeposición Metalización de grifos y tuberías

Inmersión térmica Aluminizado de manijas, cerraduras.

Difracción de rayos gamaTubos para cañerías resistentes a la corrosiónTratamiento termoquímico por

difusión

Tribología (desgaste y fricción)

Rociado térmico

Protección de herramientas de corte de alta velocidad

Recubrimiento de carbono-boro-nitrógeno

Pulverización catódica

Electrodeposición Componentes de automóviles metalizados

Estructuras multicapaRecubrimientos duros para piezas móviles del motor

Implantación por plasma nanocomposite de compuestos metálicos

Electrodeposición

Recubrimientos tribológicos para piezas móviles de bombas y compresores, sensores y prótesis

Nitruración Recubrimientos tribológicos para piezas móviles de bombas y compresores, sensores y prótesis

Piezoeléctricos

mems

Deposición pacvd asistida por plasma ecr

Capas adherentes para aparatos mecánicos



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