Materiales Modernos

Trabajo de investigación

1. Cristales líquidos
3. Biomateriales
4. Materiales cerámicos
5. Películas delgadas
6. Bibliografía

Desde los principios de la era moderna de la química en el siglo XIX, uno de los objetivos importantes de las investigaciones en química ha sido el descubrimiento y desarrollo de materiales con propiedades útiles. Los químicos han inventado sustancias y también formas de procesar materiales naturales para elaborar fibras, películas, recubrimientos, adhesivos y sustancias con propiedades eléctricas, magnéticas u ópticas especiales. Hoy en día hemos ingresado en una nueva era en la que los avances de la tecnología dependen más que nunca del descubrimiento y desarrollo de nuevos materiales útiles. He aquí algunos ejemplos de cómo tales materiales afectarán todos los aspectos de nuestra vida en el futuro cercano:

• Las pantallas planas sustituirán a los tubos de rayos catódicos que actualmente se emplean en los televisores y monitores de computadora.
• Dispositivos tan pequeños que por sus dimensiones se miden en nanómetros almacenarán enormes cantidades de información en un volumen muy reducido. Tal almacenamiento de información de alta densidad ya es posible aunque todavía no está listo para un uso generalizado.
• La duración esperada de las prótesis biológicas, como las articulaciones de rodilla y de cadera, se prolongará, de los 10 años o menos que tienen actualmente, a toda la vida del paciente.
• Nuevos diseños de baterías y celdas de combustible que harán posible el advenimiento del automóvil eléctrico.
• Convertidores catalíticos que reducirán de forma más efectiva la contaminación creada por los automóviles, contribuirán a mejorar el ambiente con un costo menor.

En este trabajo se explicaran algunas de las propiedades y aplicaciones de de los mas importantes materiales que existen actualmente. . Nuestro objetivo es demostrar cómo podemos entender muchas propiedades físicas o químicas especiales en términos de los principios que hemos visto en capítulos anteriores. Comprobaremos que las propiedades observables de los materiales son el resultado de estructuras y procesos en los niveles atómico y molecular. Examinaremos cuatro tipos: cristales líquidos, polímeros, materiales cerámicos y películas finas, y un adicional llamado Biomateriales.

1. CRISTALES LÍQUIDOS

Lamamos líquido a una sustancia que fluye y toma la forma del recipiente que la contiene; pero, por otra, a un cristal lo concebimos como sustancia sólida y rígida. De modo que, al menos intuitivamente, ¡un cristal es precisamente lo opuesto a un líquido! Y sin embargo existen sustancias reales, los cristales líquidos, que exhiben la dualidad sólido-líquido, es decir, que, simultáneamente, poseen propiedades de los líquidos, fluidez y viscosidad, y propiedades ópticas que se parecen de modo asombroso a las de los cristales como, por ejemplo, poder reflejar colores diferentes dependiendo del ángulo bajo el cual se les observe.

En los últimos treinta años se ha descubierto que estas sustancias ocupan un lugar único en la naturaleza. Así, se sabe que los cristales líquidos desempeñan un papel fundamental en los organismos vivos, pues el DNA forma diversas fases líquido cristalinas; también se les utiliza para fabricar dispositivos electrónicos, como los indicadores electro-ópticos que muestran letras y símbolos diversos en las calculadoras de bolsillo o en las carátulas de los relojes electrónicos modernos (Figura 20).

También han permitido fabricar pantallas de TV extraordinariamente delgadas y hacen posible el desarrollo de ventanas o cortinas que con sólo accionar un interruptor se hacen transparentes o totalmente opacas (Figura 21).

Estos líquidos tan peculiares son también esenciales para fabricar nuevos materiales, entre ellos fibras de muy alta resistencia y son de gran utilidad en la recuperación del petróleo. Y la lista de las aplicaciones de estos líquidos exóticos continúa creciendo sin cesar… Pero antes de examinar con más detalle cuáles son las propiedades de los cristales líquidos que hacen posible estas aplicaciones, hagamos un poco de historia.

 Figura 20. Indicador numérico electro-óptico fabricado con cristales líquidos.

Los cristales líquidos fueron descubiertos hace más de cien años (1888) por el botánico austriaco F. Reinitzer, quien encontró que algunos compuestos orgánicos derivados del colesterol parecían tener dos puntos de fusión. Más específicamente, observó que al calentar los cristales de estas sustancias a 145° C, el sólido se transformaba en un líquido turbio; pero éste a su vez, se convertía en un líquido totalmente claro y transparente precisamente a 179° C. Reinitzer también realizó el proceso inverso y enfrió el líquido transparente observando que exactamente a las mismas temperaturas anteriores ocurrían las transformaciones opuestas. Como además los cambios observados iban acompañados de absorción o emisión de calor, dependiendo de si la temperatura aumentaba o disminuía y, asimismo, como el volumen del sistema cambiaba en forma abrupta, Reinitzer concluyó que la sustancia en realidad exhibía dos cambios o transiciones de fase sucesivas. Al poco tiempo de estas primeras observaciones (1889), el cristalógrafo alemán F. Lehmann descubrió que el líquido turbio intermedio entre los cristales y el líquido transparente poseía propiedades ópticas y una estructura molecular muy parecida a la de un cristal sólido, y acuñó el nombre de cristal líquido. Aun sin darse plena cuenta, lo que en realidad habían descubierto era un nuevo estado de la materia: las fases intermedias o mesofases.

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Figura 21. Ventana de cristal líquido con transparencia controlable.

Sin embargo, a pesar de que inicialmente los cristales líquidos despertaron gran interés y fueron muy estudiados durante el primer tercio de este siglo, pronto fueron relegados a un rincón de la física y cayeron rápidamente en el olvido subsistiendo sólo como curiosidad de laboratorio. Diversos factores contribuyeron a esta pérdida de interés, uno de ellos fue el prejuicio, fuertemente arraigado en el hombre desde la remota antigüedad, según el cual las tres nociones: gas, líquido y sólido describen todas las posibles fases de la materia. Esta actitud, aún no superada en los años treinta de este siglo, conlleva naturalmente un rechazo a la dualidad sólido-líquido exhibida por los cristales líquidos. En consecuencia no es de extrañar que la aparente ambigüedad en el punto de fusión descubierta por Reinitzer se atribuyera únicamente a la presencia de "impurezas" en el sistema bajo estudio.

Otro factor preponderante fue el gran desarrollo logrado en el segundo tercio de este siglo en otros campos de la ciencia como la física de semiconductores, la química de polímeros, la física atómica o el espectacular desarrollo de la electrónica. Todos estos avances y la entonces falta de aplicaciones prácticas de los cristales líquidos, frenaron y eclipsaron su desarrollo. Pero, paradójicamente, los mismos avances y, de manera especial el proceso de miniaturización de los dispositivos electrónicos, produjeron el renacimiento y auge que los cristales líquidos tienen en nuestros días. En efecto, en este afán de miniaturización la electrónica pasó de los bulbos a los transistores, después a los microcircuitos y finalmente a los circuitos integrados actuales.

Este proceso tuvo como consecuencia importantísima la disminución de las potencias consumidas y, por tanto, la reducción de las fuentes de alimentación energética en aparatos e indicadores electrónicos. Sin embargo, ocurrió algo muy lógico pero que no se había anticipado: al reducir tanto las dimensiones de los dispositivos electrónicos ¡casi se perdió la comunicación con ellos mismos! Cada vez era más difícil transmitir —a bajo costo— la información al hombre, pues los diodos semiconductores emisores de luz consumen grandes corrientes eléctricas y los cinescopios de televisión son demasiado grandes. Faltaba, pues, un puente de comunicación entre lo muy pequeño y el mundo macroscópico. Es entonces, a principios de los años sesenta, cuando los cristales líquidos son recordados y comienza su resurgimiento hasta convertirse en uno de los campos más activos en la investigación científica interdisciplinaria con enormes posibilidades de aplicación tecnológicas.

Pero, se preguntará el lector, ¿qué propiedades físicas son las que hacen tan especiales a los cristales líquidos? y, sobre todo, ¿es posible entender estas propiedades en términos de las nociones más familiares o intuitivas que tenemos de los líquidos ordinarios o los cristales? Para contestar estas preguntas es necesario examinar brevemente las características de la estructura e interacción de las moléculas de un cristal líquido.

Un cristal líquido fluye, se escurre y toma la forma del recipiente que lo contiene, de la misma manera que lo hace un líquido ordinario como, por ejemplo, el agua. Pero a diferencia de ésta, cuyas moléculas son relativamente simples y prácticamente esféricas, las moléculas de un cristal líquido son, por lo general, o muy alargadas en forma de barra o aplanadas en forma de disco (Figura 22).

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Figura 22. Las moléculas de cristal líquido tienen forma de barras o discos.

Esta asimetría molecular tiene una consecuencia muy importante, los átomos dentro de la molécula se sitúan preferentemente a lo largo del eje de la molécula o bien en el plano definido por la molécula misma, dando lugar a una estructura molecular complicada, según se ilustra en la figura 23.

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Figura 23. Nubes electrónicas: los enlaces entre los átomos producen una distribución de carga complicada en las moléculas.

Ahora bien, recordemos que cada átomo consta de un núcleo con carga eléctrica positiva rodeado por una nube de electrones con carga eléctrica negativa que compensa exactamente la del núcleo, de manera que los átomos, y por tanto las moléculas, son eléctricamente neutros. Esta disposición de los núcleos y nubes electrónicas produce una distribución de carga bastante compleja dentro de la molécula (Figura 24).

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Figura 24. (a) líneas de fuerza del campo eléctrico de un dipolo, (b) fuerzas de atracción entre dipolos.

Pero esta configuración no es estática, sino que cambia cuando dos moléculas se acercan entre sí. En efecto, cuando esto ocurre, las nubes electrónicas son las primeras en entrar en contacto y se repelen por tener cargas del mismo signo, de modo que a distancias comparables con las dimensiones moleculares mismas, las fuerzas intermoleculares son repulsivas y tienden a alejar a las nubes electrónicas y en consecuencia a las moléculas. Pero esta repulsión también produce el desplazamiento relativo de las nubes electrónicas con respecto a sus núcleos. Como esto ocurre en cada átomo, en las moléculas alargadas el efecto neto podemos describirlo imaginando que la presencia de una molécula de cristal líquido produce una distorsión en la distribución de carga eléctrica de la otra molécula, de modo que la carga positiva neta de los núcleos queda separada una cierta distancia de una carga negativa de igual magnitud. Como es sabido, a esta configuración de carga se le llama un dipolo eléctrico y a la línea que une ambas cargas se le llama eje del dipolo, que coincide entonces con el eje largo de la molécula. Así que podemos concluir que una molécula de cristal líquido induce la formación de dipolos eléctricos en las moléculas vecinas. Debe señalarse, sin embargo, que es más fácil que la nube electrónica se desplace con respecto al núcleo positivo a lo largo del eje de la molécula que transversalmente a él —a lo largo del eje corto— aunque esto último también es posible dependiendo de la estructura molecular. Ahora debemos averiguar a qué conduce esta formación de dipolos en todo el cristal líquido.

Sabemos que cada configuración de cargas eléctricas crea un campo eléctrico E en el espacio que la rodea. La estructura espacial específica de cada campo, es decir, cómo varia su magnitud con la posición y cuál es su dirección en cada punto, es una propiedad de cada configuración de carga, pero es precisamente a través de este campo como cada configuración ejerce fuerzas sobre otras cargas eléctricas. En el caso del dipolo eléctrico la estructura de este campo está representada por las líneas de fuerza que se muestran en la figura 24 (a) y sus propiedades son tales que, si en la región ocupada por este campo se coloca otro dipolo, las fuerzas que el campo del primero produce fuerza a que los dipolos se orienten como se muestra en la figura 24 (b). Es decir, la mayor parte de los átomos de una molécula trata de situarse al lado de los átomos de otra, de modo que las cargas del mismo signo se sitúen lo más cerca unas de otras. El resultado neto es que así se genera una fuerza atractiva entre los dipolos. Entonces, cuando dos moléculas de un cristal líquido se encuentran separadas a distancias mayores que sus dimensiones, las moléculas se atraen. Es claro que de acuerdo con este modelo simplificado de la interacción entre moléculas se sigue que debe existir una distancia entre ellas para la cual las fuerzas atractivas y repulsivas se equilibren y, en consecuencia, la configuración relativa de las moléculas sea la más estable y la más favorable desde el punto de vista energético. Por lo tanto es de esperarse que las moléculas de cristal líquido tiendan a adoptar esta configuración manteniendo sus ejes dipolares o planos característicos paralelos entre sí. Concluimos entonces que, debido a la estructura de sus moléculas y en especial debido a la asimetría de las mismas, un cristal líquido adopta configuraciones altamente ordenadas. Aunque el mecanismo de interacción molecular que hemos descrito es básicamente el mismo que genera el orden en los cristales sólidos. No debe olvidarse una diferencia esencial entre ambos sistemas: en todo momento los cristales líquidos permanecen en estado líquido, lo cual implica que los centros de masa de sus moléculas no forman una red periódica sino que fluyen manteniendo el orden en la orientación común de sus ejes moleculares.

De acuerdo con el tipo de arreglos moleculares que pueden formar, Friedel (1922) clasificó los cristales líquidos en tres grandes clases: nemáticos, esmécticos y colestéricos. La fase nemática exhibe orden en la orientación de sus moléculas y al mismo tiempo desorden en la posición de sus centros de masa. Las moléculas pueden moverse lateralmente, girar alrededor del eje común o deslizarse paralelamente a él (Figura 25).

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Figura 25. La fase nemática exhibe orden de orientación, pero desorden en la posición de los centros de masa moleculares.

Podríamos comparar este arreglo molecular con el de los cerillos dentro de una caja: aunque pueden moverse, la presencia de los demás impone restricciones a estos movimientos y tiende a mantenerlos paralelos entre sí. De este modo, respecto a la posición de sus centros de masa, un nemático se comporta como un líquido ordinario y sus moléculas se mueven caóticamente. En cambio difiere totalmente de un líquido ordinario en que sus moléculas se orientan y al moverse mantienen sus ejes paralelos a una dirección común. Es preciso señalar que, por supuesto, este orden nunca es perfecto, sólo ocurre a temperaturas moderadas cuando las variaciones térmicas no son tan intensas como para destruir totalmente este orden de orientación. Recordemos que ya desde las primeras observaciones de Reinitzer sabemos que al calentar un cristal líquido éste se convierte en un líquido ordinario. También es importante mencionar que, además de la temperatura, otras propiedades, como la densidad, son de gran importancia para determinar el grado de orden o el tipo de fase líquido cristalina que puede formarse. En efecto, cuando el número de moléculas por unidad de volumen es elevado, o sea, cuando la densidad es grande, las moléculas están más cerca unas de otras y las interacciones repulsivas entre ellas son más intensas, lo cual favorece la aparición de orden tanto de orientación como de posición en el cristal líquido. Sin embargo, estas fluctuaciones térmicas producen defectos en la orientación los cuales dan lugar a estructuras microscópicas en forma de hilo que flotan en el nemático o que se adhieren a la superficie del recipiente. Precisamente esta característica fue el origen del nombre nemático que en griego significa hilo.

En contraste con los nemáticos, que son la fase más desordenada de los cristales líquidos, los esmécticos constituyen la fase más ordenada. Tienden a organizarse en capas planas paralelas entre sí, como las hojas de un libro pero con sus ejes moleculares perpendiculares a estos planos y paralelos entre sí. Éste es, por ejemplo, el arreglo de las moléculas en las capas superficiales de una pompa de jabón y es el que le proporciona la cohesión necesaria para formarse. De hecho, esméctico se deriva del vocablo griego que designa una sustancia de propiedades similares al jabón. Como en los nemáticos, las moléculas de esméctico también pueden girar alrededor de la dirección de orientación común pero no pueden hacerlo fuera de la capa en que se encuentran. En cada plano las moléculas pueden acomodarse en filas con diferentes grados de orden de posición de sus centros de masa. En el caso más ordenado se produce un arreglo regular muy parecido al de la red de un sólido, en el que hay orden y repetición en cada dirección (Figura 26).

 Figura 26. Un cristal esméctico con orden de orientación de los ejes moleculares y orden en la posición de sus centros de masa.

En cambio, en el arreglo más desordenado los centros de masa moleculares se mueven caóticamente en cada plano, de modo que en este caso el esméctico es nemático por planos (Figura 27). Debe enfatizarse, sin embargo, que en cualquier caso el esméctico es siempre fluido y las diferentes capas se deslizan, en mayor o menor grado, unas sobre otras.

Figura 27. Capas de esméctico en las que no existe orden de posición. Se comportan como nemáticas en cada plano.

La tercera clase de cristales líquidos posee una estructura molecular característica de muchos compuestos que contienen colesterol y por esta razón se le llama colestérica. Como en los esmécticos, las moléculas de colestérico también pueden acomodarse en capas superpuestas, pero con una diferencia crucial: los ejes moleculares se orientan en una dirección paralela al plano mismo de las capas. Más aún, esta dirección cambia ligeramente de capa a capa debido a la peculiar estructura molecular de los colestéricos, y en consecuencia el eje de orientación, al pasar de un plano a otro, describe una trayectoria en forma de hélice, como se indica en la figura 28.

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 Figura 28. La dirección de orientación molecular en cada plano de colestérico describe una trayectoria helicoidal (línea discontinua).

Hemos visto cómo la arquitectura molecular de los cristales líquidos favorece, a temperaturas y densidades moderadas, la aparición de una dirección especial a lo largo de la cual se orientan las moléculas alargadas y perpendicularmente a ella en las moléculas en forma de disco. La peculiaridad de este tipo de materiales es que la existencia de una dirección preferida afecta el comportamiento de los rayos luminosos en el material cambiando su intensidad, color y dirección de propagación. Por esta razón a esta dirección especial se le llama el eje óptico del material y es la causa de muchos fenómenos ópticos importantes. Es necesario subrayar aquí que la existencia del eje óptico es un fenómeno colectivo que se da en forma espontánea en los cristales líquidos. Así, por ejemplo, si un rayo de luz blanca incide sobre el cristal líquido formando un ángulo con el eje óptico puede transformarse en luz de color al transmitirse a través del líquido pues la velocidad de la luz en el fluido depende de la dirección de propagación respecto al eje óptico. Pero, además de este cambio en el color, también puede ocurrir que el rayo saliente se divida en dos rayos luminosos cuyas intensidades relativas varíen dependiendo de la dirección del rayo incidente con el eje óptico. A este fenómeno se le llama birrefringencia.

Por otra parte, es bien conocido que los cristales sólidos con ejes ópticos se usan en múltiples aplicaciones tecnológicas en las que es necesario dirigir los rayos luminosos en forma rápida y precisa. Una aplicación muy conocida es la de los polaroides o polarizadores, que sólo transmiten algunos de los rayos luminosos que inciden sobre ellos y que se usan ampliamente en la fotografía en colores o para fabricar lentes que protejan los ojos de la luz deslumbradora del Sol. Para entender mejor la función de un polarizador recordemos que cada onda electromagnética emitida por un sistema particular de cargas en movimiento, consta de un campo eléctrico E y un campo magnético H que oscilan transversalmente a la dirección de propagación de la onda (Figura 29). Aunque en cada onda el campo eléctrico está orientado de modo preciso, en un rayo de luz compuesto de muchas ondas emitidas por diferentes sistemas de cargas a diferentes tiempos, no hay en general una dirección —"polarización"— bien determinada del campo eléctrico total. Cuando esto ocurre se dice que la luz es natural o no polarizada.

Los polarizadores permiten, precisamente, convertir la luz natural en polarizada al eliminar del rayo de luz todas aquellas ondas cuya polarización no sea la requerida. Ya que los cristales líquidos poseen eje óptico no es de extrañar que también exhiban muchos de estos fenómenos, los cuales son totalmente insólitos en los líquidos ordinarios. Sin embargo, a diferencia de los cristales sólidos los cristales líquidos presentan una ventaja enorme: debido a la relativa debilidad de las fuerzas de interacción molecular, la orientación del eje óptico se puede variar con mayor facilidad. Existen diversos métodos para "manejar" el eje óptico de un cristal líquido, todos ellos basados en la enorme capacidad de estos sistemas para responder a la acción de campos externos.

 Figura 29. Onda electromagnética propagándose en la dirección de u.  es la longitud de onda.

El primer fenómeno en el que se observó que el eje óptico cambia de dirección bajo la acción de un campo eléctrico es el ahora llamado efecto Freederiks (1943), descubierto por el físico ruso del mismo nombre. Este fenómeno se observa con mayor facilidad en un nemático y, como veremos, constituye la base física del funcionamiento de los indicadores electro-ópticos de las carátulas de relojes y calculadoras electrónicas modernas. Si un campo eléctrico externo actúa sobre un nemático, interacciona con los dipolos de sus moléculas y las hace girar de manera tal que su eje largo tiende a colocarse paralelamente al campo aplicado o en dirección perpendicular a él, dependiendo de que el momento dipolar de la molécula esté dirigido en la dirección de su eje largo o corto, respectivamente. Pero ya hemos visto que en un nemático todas las moléculas mantienen una misma orientación debido a las características de su interacción mutua; así que si una molécula de nemático se reorienta bajo la acción de un campo externo, las demás se reorientan también en la misma dirección. Por lo tanto, basta con aplicar un campo eléctrico pequeño para producir una reorientación de todo el eje óptico del nemático.

Un indicador electro-óptico consta básicamente de una celda diminuta con los siguientes elementos: una capa muy delgada (0.01-0.1 mm) de cristal líquido, por lo general un nemático, colocado entre dos placas de vidrio cada una de las cuales está unida a un polarizador. Estas placas se pulen de manera tal que la cohesión entre las moléculas y las placas sólidas sea máxima, lo cual se logra produciendo surcos en las placas de aproximadamente las dimensiones de una molécula de nemático. Así se consigue que las moléculas que están en contacto con las placas se alineen con la dirección de pulimento y, por las características de las interacciones moleculares, todas las moléculas en el espesor de la capa se alinean exactamente en la misma dirección. Si bajo estas condiciones una placa se gira noventa grados respecto a la otra —debido a que a grandes distancias de las placas el influjo del vidrio sobre las moléculas de nemático es menor que cerca de las superficies sólidas— las moléculas, y por lo tanto el eje óptico del cristal líquido, se reorientan adquiriendo la configuración torcida que se muestra en la figura 30.

 Figura 30. Geometría torcida producida al girar las placas de vidrio 90°.

Si entonces se ilumina la celda con luz natural, ésta se polariza y al penetrar en la celda su polarización sigue la configuración torcida del eje óptico, de modo que al salir por la placa inferior también habrá girado noventa grados. Pero como el eje del polarizador inferior tiene precisamente esa dirección, la luz atravesará el segundo polarizador. Entonces, si debajo del polarizador inferior se coloca un espejo, la luz podrá reflejarse nuevamente al interior de la celda, atravesarla en sentido inverso y salir de ella hasta llegar a los ojos de un observador que verá a la celda perfectamente clara y transparente. Este proceso se ilustra en la parte izquierda de la figura 31.

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 Figura 31. Elementos de una celda de un indicador electro-óptico.

Para poder formar cualquier cifra, letra o palabra en el indicador, es preciso colocar dos electrodos entre las placas de vidrio de manera que, al conectarlos a una pila, se produzca un campo eléctrico en el nemático. Al efecto, el electrodo inferior se construye de una sola pieza, mientras que el superior consta de muchos electrodos más pequeños. Así, por ejemplo, para formar cualquier cifra entre cero y nueve sólo se requieren siete segmentos, cada uno de los cuales puede conectarse o desconectarse a un circuito eléctrico de acuerdo a las señales que produzca un generador diminuto cuyo funcionamiento lo controla un programa especial. De esta manera es posible producir un campo eléctrico únicamente sobre ciertas regiones de la celda. En la parte derecha de la figura 31 se ilustra la situación en que ha sido cerrado el circuito de manera que los segmentos del electrodo superior que conforman el número ocho se activen. De acuerdo con el efecto Freederiks, el campo eléctrico en esta región de la celda tiende a alinear las moléculas destruyendo la configuración torcida que prevalecía en ausencia de campo. Entonces, la luz polarizada que sale del primer polarizador se transmite, por debajo de los segmentos de electrodo asociados a la cifra ocho, por toda la capa de nemático sin cambiar su polarización. Pero al llegar al segundo polarizador, cuya dirección de polarización es perpendicular a la polarización de la luz, no podrá atravesarlo y entonces o se absorbe en el líquido o se desvía en cualquiera otra dirección. Como esta luz no llega al espejo, tampoco alcanzará al observador y éste verá oscuros los segmentos de la cifra ocho. El resultado final será que el observador verá un ocho oscuro sobre un fondo claro (Figura 32).

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 Figura 32. Imagen típica de un indicador digital electro-óptico.

Éste es el principio físico del funcionamiento de la gran mayoría de los indicadores digitales usados en calculadoras de bolsillo, videograbadoras, tableros de diversos aparatos medidores o cuadrantes de sintonía. Es importante señalar que los procesos comprendidos en los dispositivos que acabamos de describir, ocurren rápidamente, por lo común en una diezmilésima o cienmilésima de segundo; así, en una fracción pequeña de tiempo se puede mostrar en la pantalla toda una sucesión de cifras o símbolos diversos. Más aún, como las dimensiones de la celda son tan pequeñas, los problemas usuales asociados con el manejo de los líquidos no se presentan y las potencias consumidas en los circuitos de la misma son muy pequeños; por ejemplo, una pila de 1.5 voltios basta para generar toda la energía requerida.

En las páginas anteriores hemos presentado un esbozo de cómo son los cristales líquidos; resulta evidente que es éste un campo interdisciplinario de gran importancia, tanto científica como tecnológica. Podemos mencionar que actualmente ya están a la venta televisores miniatura a colores, con pantallas de gran definición, fabricados con cristales líquidos. A juzgar por los logros y aplicaciones espectaculares de los cristales líquidos obtenidos en los últimos años, no cabe duda que el futuro nos deparará sorpresas cada vez mayores y, al mismo tiempo, nos brindará nuevos retos para comprender las extraordinarias propiedades de estas fases intermedias de la materia.

2. POLIMEROS

¿Qué son los polímeros ?

La materia esta formada por moléculas que pueden ser de tamaño normal o maléculas gigantes llamadas polímeros. Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros que forman enormes cadenas de las formas más diversas. Algunas parecen fideos, otras tienen ramificaciones. algunas más se asemejan a las escaleras de mano y otras son como redes tridimensionales. Existen polímeros naturales de gran significación comercial como el algodón, formado por fibras de celulosas. La celulosa se encuentra en la madera y en los tallos de muchas plantas, y se emplean para hecer telas y papel. La seda es otro polímero natural muy apreciado y es una poliamida semejante al nylon. La lana, proteína del pelo de las ovejas, es otro ejemplo. El hule de los árboles de hevea y de los arbustos de Guayule, son también polímeroa naturales importantes. Sin embargo, la mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria son materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas.

Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituídos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen una excelente resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser de varias clases.

 Fuerzas de Van der Waals.

También llamadas fuerzas de dispersión, presentes en las moléculas de muy baja polaridad, generalmente hidrocarburos. Estas fuerzas provienen de dipolos transitorios: como resultado de los movimientos de electrones, en cierto instante una una porción de la molécula se vuelve ligeramente negativa, mientras que en otra región aparece una carga positiva equivalente. Así se forman dipolos no-permanentes. Estos dipolos producen atracciones electroestáticas muy débiles en las moléculas de tamaño normal, pero en los polímeros, formados por miles de estas pequeñas moléculas, las fuerzas de atracción se multiplican y llegan a ser enormes, como en el caso del polietileno.

En la tabla 1.1 se observa como cambian la densidad y la temperatura de fusión, al aumentar el número de átomos de carbono en la serie de lso hidrocarburos. Los compuestos más pequeños son gases a la temperatura ambiente. al aumentar progresivamente el número de carbonos, los compuestos se vuelven líquidos y luego sólidos, cada vez con mayor densidad y mayor temperatura de fusión, hasta llegar a los polietilenos con densidades que van de 0,92 a 0, 96 g / cm3 y temperaturas de fusión entre 105 y 135° C.

Densidad y temperatura de fusión de hidrocarburos.

Fuerzas de atracción.

Debidas a dipolos permanentes, como en el caso de los poliésteres. Estas atracciones son mucho más potentes y a ellas se debe la gran resistencia tensil de las fibras de los poliésteres.

Enlaces de hidrógeno.

Como en las poliamidas (nylon).

Estas interacciones son tan fuertes, que una fibra obtenida con estas poliamidas tiene resistencia tensil mayor que la de una fibra de acero de igual masa.

Otros polímeros.

Hay atracciones de tipo iónico que son las más intensas:

Un ejemplo sería el copolímero etileno-ácido acrílico, que al ser neutralizado con la base M(OH)2, producirá la estructura indicada. Estos materiales se llaman ionómeros y se usan, por ejemplo, para hacer películas transparentes de alta resistencia.

Energía requerida para romper cada enlace.

La fuerza total de atracción entre las moléculas del polímero, dependería del número de las interacciones. Como máximo, sería igual a la energía de enlace según la tabla, multiplicada por el número de átomos de carbono en el caso del polietileno o por el número de carbonílicos C = O en los poliésteres, etc.. rara vez se alcanza este valor máximo, porque las cadenas de los polímeros no pueden, por lo general, acomodarse con la perfección que sería requerida.

 Concepto y clasificación.

Un polímero (del griego poly, muchos; meros, parte, segmento) es una sustancia cuyas moléculas son, por lo menos aproximadamente, múltiplos de unidades de peso molecular bajo. La unidad de bajo peso molecular es el monómero. Si el polímero es rigurosamente uniforme en peso molecular y estructura molecular, su grado de polimerización es indicado por un numeral griego, según el número de unidades de monómero que contiene; así, hablamos de dímeros, trímeros, tetrámero, pentámero y sucesivos. El término polímero designa una combinación de un número no especificado de unidades. De este modo, el trióximetileno, es el trímero del formaldehído, por ejemplo.

Si el número de unidades es muy grande, se usa también la expresión gran polímero. Un polímero no tiene la necesidad de constar de moléculas individuales todas del mismo peso molecular, y no es necesario que tengan todas la misma composición química y la mismaestructura molecular. Hay polímeros naturales como ciertas proteínas globulares y policarbohidratos, cuyas moléculas individuales tienen todas el mismo peso molecular y la misma estructura molecular; pero la gran mayoría de los polímeros sintéticos y naturales importantes son mezclas de componentes poliméricos homólogos. La pequeña variabilidad en la composición química y en la estructura molécular es el resultado de la presencia de grupos finales, ramas ocacionales, variaciones en la orientación de unidades monómeras y la irregularidad en el orden en el que se suceden los diferentes tipos de esas unidades en los copolímeros. Estas variedades en general no suelen afectar a las propiedades del producto final, sin embargo, se ha descubierto que en ciertos casos hubo variaciones en copolímeros y ciertos polímeros cristalinos.

Homopolímeros y copolímeros.

Los materiales como el polietileno, el PVC, el polipropileno, y otros que contienen una sola unidad estructural, se llaman homopolímeros. Los homopolímeros, a demás, contienen cantidades menores de irregularidades en los extremos de la cadena o en ramificaciones.

Por otro lado los copolímeros contienen varias unidades estructurales, como es el caso de algunos muy importantes en los que participa el estireno.

Estas combinaciones de monómeros se realizan para modificar las propiedades de los polímeros y lograr nuevas aplicaciones. Lo que se busca es que cada monómero imparta una de sus propiedades al material final; así, por ejemplo, en el ABS, el acrilonitrilo aporta su resistencia química, el butadieno su flexibilidad y el estireno imparte al material la rigidez que requiera la aplicación particular.

Evidentemente al variar la proporciones de los monómeros, las propiedades de los copolímeros van variando también, de manera que el proceso de copolimerización permite hasta cierto punto fabricar polímeros a la medida.

No solo cambian las propiedades al variar las proporciones de los monómeros, sino tambiuén al variar su posición dentro de las cadenas. Así, existen los siguientes tipos de copolímeros.

Las mezclas físicas de polímeros, que no llevan uniones permanentes entre ellos, también constituyen a la enorme versatilidad de los materiales poliméricos. Son el equivalente a las aleaciones metálicas.

En ocasiones se mezclan para mejorar alguna propiedad, aunque generalmente a expensas de otra. Por ejemplo, el óxido de polifenilo tiene excelente resistencia térmica pero es muy dificil procesarlo. El poliestireno tiene justamente las propiedades contrarias, de manera que al mezclarlos se gana en facilidad de procedimiento, aunque resulte un material que no resistirá temperaturas muy altas.. Sin embargo en este caso hay un efecto sinergístico, en el sentido en que la resistencia mecánica es mejor en algunos aspectos que a la de cualquiera de los dos polímeros. Esto no es frecuente, porque puede ocurrir únicamente cuando existe perfecta compatibilidad ente los dos polímeros y por regla general no la hay, así que en la mayoría de los casos debe agregarse un tercer ingrediente para compatibilizar la mezcla. Lo que se emplea casi siempre es un copolímero injertado, o uno de bloque que contenga unidades estructurales de los dos políméros.

Otras veces se mezcla simplemente para reducir el costo de material.

En otros casos, pequeñas cantidades de un polímero de alta calidad puede mejorar la del otro, al grado de permitir una nueva aplicación.

Copolímeros y Terpolímeros.  

A continuación se citaran los copolímeros y terpolímeros de mayor aplicación en la industria:

 SAN

Copolímero de estireno-acrilonitrilo en los que el contenído de estireno varía entre 65 y 80 %. Estos materiales tienen buena resistencia a los aceites lubricantes, a las grasas y a las gasolinas. Asimismo, tiene mejores propiedades de impacto, tensión y flexión, que los homopolímeros del estireno. Los copolímeros son transparentes, pero con un ligero color amarillo que se vuelve más oscuro a medida que aumenta el contenido en acrilonitrilo. Al mismo tiempo mejora la resistencia química, la resistencia al agrietamiento ambiental y la resistencia térmica al aimentar el porcentaje en acrilonitrilo.

El SAN se usa cuando se requieren partes rígidas, con buena estabilidad dimensional y buena resistencia térmica, por ejemplo, en partes de las máquinas lavaplatos y en piezas para radios u televisores. Se lo emplea en grandes cantidades en la industria alimenticia. los copolímeros con 30 % estireno y 70 % acrilonitrilo, son excelentes barreras contra el oxígeno, el CO2 y la humedad.

 ABS

Terpolímero acrilonitrilo-butadieno-estireno. Son materiales heterogéneos formados por una fase homogénea rígida y una elastomérica. Originalmente se mezclaban emulsiones de los dos polímeros de SAN y polibutadieno. La mezcla era coagulada para obtener ABS.

Ahora se prefiere polimerizar estireno y acrilonitrilo en presencia de polibutadieno. De esa manera, una parte del estireno y del acrilonitrilo se copolimerizan formando SAN y otra porción se injerta sobre las moléculas de polibutadieno.

El ABS se originó por la necesidad de mejorar algunas propiedades del poliestireno de alto impacto. Este material tiene tres desventajas importantes:

• Baja temperatura de ablandamiento.
• Baja resistencia ambiental.
• Baja resistencia a los agentes químicos.

La incorporación del acrilonitrilo en la fase continua, imparte mayor temperatura de ablandamiento y mejora considerablemente la resistencia química. Sin embargo, la resistencia ambiental se vuelve todavía menor, pero este problema se resuelve empleando aditivos. Las propiedades del ABS son suficientemente buenas para varias aplicaciones:

– Artículos moldeados,

-Artículos extruidos.

Copolímeros estireno-butadieno.

Éstos son los hules sintéticos que han sustituído practicamente en su totalidad al natural, en algunas aplicaciones como las llantas para automóviles.

Los hules sintéticos contienen 25 % de estireno y 75 % butadieno; sus aplicaciones incluyen en oreden de importancia:

• Llantas,
• Espumas,
• Empaques,
• Suelas para zapatos,
• Aislamiento de alambres y cables eléctricos,
• Mangeras.

Los copolímeros de estirenio-butadieno con mayor contenido de batadieno, hasta de 60 %, se usan para hacer pinturas y recubrimientos ahulados. Para mejorar la adhesividad, en ocasiones se incorpora el ácido acrílico o los ésteres acrílicos, que elevan la polaridad de los copolímeros.

Otros copolímeros del estireno.

MBS. Se obtienen injertando metacrilato de metilo o mezclas de metacrilato y estireno, en las cadenas de un hule de estireno-batadieno.

Acrílicos. Copolímeros de metacrilato-butilacrilato-estireno o de metacrilato-hexilacrilato-estireno.

Otros copolímeros importantes del estireno, se realizan polimerizando en suspensión, estireno en presencia de divinil-benceno, para obtener materiales entre cruzados, que por sulfonación y otras reacciones químicas se convierten en las conocidas resinas de intercambio iónico.

 Poliestireno de alto impacto.

Para hacer este material, se dispersa un elastómero en una matríz que puede ser de poliestireno o de algunos de sus copolímeros. Las variables importantes de la fase continua son:

• Distribución de pesos moleculares.
• Composición, cuando se trata de un copolímero.

Las variables importantes de la fase elastomérica son:

• Número, tamaño, distribución de tamaños y formas de las partículas dispersadas.
• Composición, si es un copolímero.
• Grado de entrecrusamiento en el elastómero.

Existen dos procedimientos para obtener poliestireno de alto impacto:

• Mezclar poliestireno directamente con el elastómero.
• Mezclar estireno, el elastómero, el catalizante y el acelerante y se produce la polimerización.

 CPE.

Los polietilenos clorados se obtienen clorando polietileno de alta densidad con 30 % a 40 % de cloro. Tiene baja cristalinidad y baja temperatura de transición vítrea. Un nivel de cloro del 36 % resultó experimentalmente para un buen balance al impacto-dispersabilidad-procesabilidad.

EVA.

Copolímero del etileno y acetato de vinilo con 30 % a 50 % del acetato, posee propiedades elastoméricas.

 Lubricantes.

Los lubricantes mejoran la procesabilidad de los polímeros, realizando varias importantes funciones.

• Reducen la fricción entre las partículas del material, minimizando el calentamiento friccional y retrasando la fusión hasta el punto óptimo.
• Reducen la viscocidad del fundido promoviendo el buen flujo del material.
• Evitan que el polímero caliente se pegue a las superficies del equipo de procesamiento.

A los lubricantes se los clasifican en:

• Lubricantes externos, que son los que reducen la fricción entre las moléculas del polímero y disminuyen la adherencia polímero metal.
• Ceras parafínicas, con pesos moleculares entre 300 y 1500, y temperaturas de fusión entre 65 a 75 °C. Las lineales son más rígidas, por su mayor cristalinidad. En las ramificadas, la cristalinidad es menor y los cristales más pequeños.
• Ceras de polietileno, son polietilenos de muy bajo peso molecular, ligeramente ramificadas, con temperaturas de fusión de 100 a 130 °C. Son más efectivas que las parafinas.
• Ceras tipo éster, se trata de glicéridos obtenidos de cebos y contienen ácidos grasos con 16 a 18 átomos de carbono. El más importante es el triesterato.

Los lubricantes internos y las amidas de los ácidos también se emplean con este fin.

 Polímeros de bloque e injertos

Se han desarrollado nuevos métodos interesantes para la síntesis de copolimeros de bloque e injertos. Estos métodos han encontrado aplicación practica en la preparación de poliestireno de alta resistencia al impacto, de los cauchos de elevada resistencia a la abrasión y de fibras acrílicas.

Un principio de la copolimerización por injertos consiste en polimerizar un monomero, el monomero-B, en presencia de un polímero, el poli-A, de manera tal que los centros iniciadores de las reacciones de la segunda polimerización estén situados todos en el polímero original. Una forma particularmente efectiva de conseguir este resultado es someter el poli-A a la degradación mecánica en presencia del mono-B. Si las cadenas del polímero se rompen por la acción mecánica, se forman dos radicales libres en el punto de ruptura de la cadena. Estos dos radicales pueden utilizarse si se evita que se recombinen o desproporcionen uno con el otro o que sean consumidos por algún otra impureza reactiva, como el oxigeno y en presencia de un monomero vinílico. Muchos tipos de agitación mecánica, particularmente el prensado en calandria, la molienda, la compresión en estado plástico y la agitación y sacudimiento en solución, conducen a la unión química del segundo monomero y el primer polímero. Para que la degradación mecánica sea efectiva, conviene que el poli-A tenga un peso molecular relativamente alto. Se han echo grandes progresos en la injertación del estireno, esteres acrílicos y acrilonitrilo al caucho y a muchos elastomeros sintéticos; los monomeros vinílicos también se ha injertado a la celulosa y derivados de esta, poliésteres, poliamidas, poliéteres y proteínas. Los productos resultantes combinan en forma muy interesante las propiedades de los dos compuestos.

Los trabajos sobre la radiación de injertos han progresado considerablemente, sobre todo mediante el empleo de mejores fuentes de radiación penetrante (aparato de Van de Graaff, acelerador lineal, Co60 y Cs137) y por el descubrimiento de que la luz ultravioleta es capaz también de producir enlaces transversales e injertos en presencia de sensibilizadores. En muchos casos se ha reducido substancialmente la degradación indeseable del poli-A producida por la acción de la radiación y penetrante, mediante la aplicación de estabilizadores del tipo amina aromática disulfuro aromático.

Pueden obtenerse injertos muy efectivos de todos los tipos de polímeros vinílicos si la cadena del poli-A lleva un grupo amino aromático primario. Este grupo es asilado primero

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después es nitrosilado.

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La nitrosamina puede isomerizarse al diazoester, este a su vez, se disocia con desprendimiento de hidrogeno y produce un radical libre que se fija químicamente a la cadena:

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El radical acilo se transfiere rápidamente con los átomos de hidrogeno disponibles y no inicia la polimerización del mono-B. Por este método se ha efectuado un injerto de monomeros vinílicos sobre el poliestireno parcialmente aminado.

Una nueva forma de preparar los copolimeros de bloque se basa en la protección de la cadena que crece por propagación anionica contra la terminación por solvatacion del extremo de la cadena por el disolvente. Si el sodio se hace reaccionar a baja temperatura en tetrahidrofurano con naftaleno, se transfiere un electrón del sodio al sistema aromático:

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La solución resultante es verde y muy sensible al oxigeno. Si se le agrega estireno, el color cambia a rojo debido a que el electrón solitario se transfiere al monomero estireno, que se dimeriza inmediatamente para formar un bis-anion conforme a la siguiente reacción:

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Las cargas negativas están compensadas por dos iones de sodio, pero permanecen disociadas porque están fuertemente solvatadas por el tetrahidrofurano. Las cargas negativas del bis-ion son capaces de iniciar la polimerización del estireno, y a cada lado del centro iniciador crece una cadena hasta que es consumido todo el monomero, puesto que la solvatacion por el disolvente evita la terminación (polímeros vivientes). Después de consumido el monoestireno puede agregarse otro monomero, y como la polimerización continua, se forman copolimeros de bloque cuya composición y peso molecular pueden regularse fácilmente por la adición de los componentes y por la terminación del crecimiento posterior de la cadena con oxigeno u otro interruptor de la etapa.

Procesos de polimerización.

Existen diversos procesos para unir moléculas pequeñas con otras para formar moléculas grandes. Su clasificación se basa en el mecanismo por el cual se unen estructuras monómeras o en las condiciones experimentales de reacció.

Mecanismos de polimerización. La polimerización puede efectuarse por distintos métodos a saber:

 Polimerización por adición.

• Adición de moléculas pequeñas de un mismo tipo unas a otras por apertura del doble enlace sin eliminación de ninguna parte de la molécula (polimerización de tipo vinilo.).
• Adición de pequeñas moléculas de un mismo tipo unas a otras por apertura de un anillo sin eliminación de ninguna parte de la molécula (polimerización tipo epóxido.).
• Adición de pequeñas moléculas de un mismo tipo unas a otras por apertura de un doble enlace con eliminación de una parte de la molécula (polimerización alifática del tipo diazo.).
• Adición de pequeñas moléculas unas a otras por ruptura del anillo con eliminación de una parte de la molécula (polimerización del tipo  -aminocarboxianhidro.).
• Adición de birradicales formados por deshidrogenación (polimerización tipo p-xileno.).

Polimerización por condensación.

• Formación de poliésteres, poliamidas, poliéteres, polianhidros, etc., por eliminación de agua o alcoholes, con moléculas bifuncionales, como ácidos o glicoles, diaminas, diésteres entre otros (polimerización del tipo poliésteres y poliamidas.).
• Formación de polihidrocarburos, por eliminación de halógenos o haluros de hidrógeno, con ayuda de catalizadores metálicos o de haluros metálicos (policondensación del tipo de Friedel-Craffts y Ullmann.).  

Polimerización en suspención, emulsión y masa.

a. Polimerización en suspensión. En este caso el peróxido es soluble en el monómero. La polimerización se realiza en agua, y como el monómero y polímero que se obtiene de él son insolubles en agua, se obtiene una suspención. Para evitar que el polímero se aglomere en el reactor, se disuelve en el agua una pequeña cantidad de alcohol polivinílico, el cual cubre la superficie de las gotitas del polímero y evita que se peguen.

b. Polimerización en emulsión. La reacción se realiza también en agua, con peróxidos solubles en agua pero en lugar de adredarle un agente de suspención como el alcohol polivinílico, se añade un emulsificante, que puede ser un detergente o un jabón. En esas condiciones el monómero se emulsifica, es decir, forma gotitas de un tamaño tan pequeño que ni con un microscopio pueden ser vistas. Estas microgotitas quedan estabilizadas por el jabón durante todo el proceso de la polimerización, y acaban formando un latex de aspecto lechoso, del cual se hace presipitar el polímero rompiendo la emulsión. posteriormente se lava, quedando siempre restos de jabón, lo que le imprime características esopeciales de adsorción de aditivos.

c.Polimerización en masa. En este tipo de reacción, los únicos ingredientes son el monómero y el peróxido. El polímero que se obtiene es muy semejante al de suspención, pero es más puro que éste y tiene algunas ventajas en la adsorción de aditivos porque no esta contaminado con alcohol polivinílico. Sin embargo, debido al gran tamaño de sus partículas no se dispersa en los plastificantes y no se usa para plastisoles.

 Propiedades y aplicaciones de las tres variedades para el caso del PVC

3. BIOMATERIALES

Los biomateriales se pueden definir como materiales biológicos comunes tales como piel, madera, o cualquier elemento que remplace la función de los tejidos o de los órganos vivos. En otros términos, un biomaterial es una sustancia farmacológicamente inerte diseñada para ser implantada o incorporada dentro del sistema vivo.

Los biomateriales se implantan con el objeto de remplazar y/o restaurar tejidos vivientes y sus funciones, lo que implica que están expuestos de modo temporal o permanente a fluidos del cuerpo, aunque en realidad pueden estar localizados fuera del propio cuerpo, incluyéndose en esta categoría a la mayor parte de los materiales dentales que tradicionalmente han sido tratados por separado.

Debido a que los biomateriales restauran funciones de tejidos vivos y órganos en el cuerpo, es esencial entender las relaciones existentes entre las propiedades, funciones y estructuras de los materiales biológicos, por lo que son estudiados bajo tres aspectos fundamentales: materiales biológicos, materiales de implante y la interacción existente entre ellos dentro del cuerpo. Dispositivos como miembros artificiales, amplificadores de sonido para el oído y prótesis faciales externas, no son considerados como implantes.

La biomecánica se encarga de estudiar la mecánica y la dinámica de los tejidos y las relaciones que existen entre ellos; esto es muy importante en el diseño y el injerto de los implantes. Después de realizado un injerto, no se puede hablar del éxito de un implante, este se debe considerar en términos de la rehabilitación del paciente; por ejemplo, en el implante de cadera se presentan cuatro factores independientes: fractura, uso, infección y desprendimiento del mismo.

 Figura 32. Dispositivo para el tratamiento de hidrocefalia y su colocación en cerebro. Está hecho de silicón.

Si la probabilidad de que un sistema falle es f, entonces la probabilidad que tiene el paciente de rehabilitación es: r = 1 – f. La probabilidad de rehabitación total rt puede expresarse en términos de las probabilidades reales de los factores que contribuyen a la falla del sistema rt = r1 . r2 … rn donde r1 = 1 – f1, r2 = 1 – f2, etcétera.

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Figura 33. Uso del estimulador eléctrico para activar y acelerar el crecimiento del tejido óseo en fracturas, con y sin tornillos de fijación. Todos son biomateriales.

Por lo anterior, si r = 1, entonces el implante es perfecto, mientras que si, por ejemplo, ocurre siempre una infección tendremos r = 0, es decir, no hay probabilidades de rehabilitación del paciente.

En algunos casos la función de los tejidos u órganos es tan importante que no tiene sentido el remplazarlos por biomataeriales; por ejemplo, la médula espinal o el cerebro.

El éxito de un biomaterial o de un implante depende de tres factores principales: propiedades y biocompatibilidad del implante, condiciones de salud del receptor, y habilidad del cirujano que realiza el implante; la física sólo se aplica al primero.

Los requisitos que debe cumplir un biomaterial son:

1. Ser biocompatible, es decir, debe ser aceptado por el organismo, no provocar que éste desarrolle sistemasde rechazo ante la presencia del biomaterial

2. No ser tóxico, ni carcinógeno.

3. Ser químicamente estable (no presentar degradación en el tiempo) e inerte.

4. Tener una resistencia mecánica adecuada.

5. Tener un tiempo de fatiga adecuado.

6. Tener densidad y peso adecuados.

7. Tener un diseño de ingeniería perfecto; esto es, el tamaño y la forma del implante deben ser los adecuados.

8. Ser relativamente barato, reproducible y fácil de fabricar y procesar para su producción en gran escala.

Hay, de hecho, cuatro grupos de materiales sintéticos usados para implantación: metálicos, cerámicos, poliméricos y compuestos de ellos; el cuadro IV enumera algunas de las ventajas, desventajas y aplicaciones para los cuatro grupos de materiales sintéticos.

Una alternativa para los implantes artificiales es el trasplante, por ejemplo de riñón o corazón, aunque este esfuerzo se ve obstaculizado por problemas sociales, morales, éticos e inmunológicos; sin embargo, en el caso del riñón, el paciente tiene muchas desventajas con uno artificial: su costo es elevado, no tiene movilidad y, además, el mantenimiento y el cuidado deben ser constantes.

Los usos quirúrgicos de los biomateriales son múltiples, por ejemplo, para implantes permanentes:

1. En el sistema esquelético muscular, para uniones en las extremidades superiores e inferiores (hombros, dedos, rodillas, caderas, etc.) o como miembros artificiales permanentes; b) en el sistema cardiovascular, corazón (válvula, pared, marcapasos, corazón entero), arterias y venas; c) en el sistema respiratorio, en laringe, tráquea y bronquios, diafragma, pulmones y caja torácica; d) en sistema digestivo: esófago, conductos biliares e hígado; e) en sistema genitourinario, en riñones, uréter, uretra, vejiga; f) en sistema nervioso, en marcapasos; g) en los sentidos: lentes y prótesis de córneas, oídos y marcapasos caróticos; h) otras aplicaciones se encuentran por ejemplo en hernias, tendones y adhesión visceral; i) implantes cosméticos maxilofaciales (nariz, oreja, maxilar, mandíbula, dientes), pechos, testículos, penes, etcétera.

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CUADRO IV. Materiales para implantación

La caracterización física de las propiedades requeridas de un material para aplicaciones médicas, varía de acuerdo con la aplicación particular. Debemos considerar que las pruebas fisicoquímicas de los materiales para implante in vivo son difíciles, si no imposibles. Las pruebas in vitro deben ser realizadas antes del implante. La fabricación y el uso de los materiales depende de sus propiedades mecánicas, tales como resistencia, dureza, ductibilidad, etcétera. Las propiedades elásticas y viscoelásticas serán caracterizadas antes que las estáticas y dinámicas.

La naturaleza (iónico, covalente y metálico), y la fuerza de los enlaces atómicos determinan qué tan estable es el material cuando se le aplica una carga, es decir, cuando se le somete a un esfuerzo de tipo mecánico; este tipo de propiedades son conocidas como mecánicas. Cuando se determina la estabilidad del material en función de cambios en la temperatura, se habla de propiedades térmicas.

Cuando estiramos un material, son las fuerzas entre los enlaces moleculares (fuerzas de atracción y repulsión entre los átomos que las componen) las que determinan el comportamiento del material. Inicialmente, la mayor parte de los materiales cumplen con la Ley de Hooke, es decir, la fuerza que se aplica para estirarlo (o comprimirlos) es proporcional a la distancia de deformación. La constante de proporcionalidad se llama constante elástica, y está relacionada indirectamente con la energía del enlace, lo que podemos expresar como:

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donde  representa el esfuerzo, que es la fuerza por unidad de área de sección transversal,  es la deformación o estiramiento del material, dada por el cambio en la longitud respecto a la longitud original (l/l0 y E se conoce como módulo elástico o Módulo de Young el cual es una característica del material.

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Figura 34. Diversos diseños de componentes de cabezas de fémur y componentes de cadera.

Cuando un material es sometido a deformación por estiramiento, es posible determinar dos regiones bien marcadas en el comportamiento que presenta: la elástica, donde la deformación es proporcional al esfuerzo aplicado: el material regresa a su forma original cuando la fuerza que actúa sobre él se elimina; y la plástica, en la que no existe proporcionalidad entre la fuerza aplicada y el estiramiento, en este caso el material no regresa a su forma original al anularse la fuerza que actúa sobre él. Generalmente, los materiales sometidos a fuerzas pequeñas siguen un comportamiento de tipo elástico, pero a medida que la fuerza crece el comportamiento pasa a ser del tipo plástico, y si la fuerza sigue creciendo, puede ocurrir la fractura del material.

En los materiales cerámicos y en los vítreos es fácil que ocurra la fractura, además es impredecible el momento en que esto puede suceder, por lo que, aunque presentan un alto grado de biocompatibilidad, no son muy usados en implantes.

La resistencia al impacto es la cantidad que puede absorber un material de energía debida a la fuerza ejercida sobre él por un golpe, es decir, por una fuerza grande en magnitud aplicada durante un tiempo muy corto. Ésta es otra de las pruebas que tiene que pasar un material que se requiere para implantación, los requisitos sobre la medida dependerán del uso que se le dé.

La dureza es una medida de la deformación plástica, y se define como la fuerza por unidad de área de penetración o indentación en el material. Para determinarla de manera experimental, es claro que el método dependerá del tipo de material de que se trate; en el caso de metales, por ejemplo, se incrusta una punta de diamente en forma de pirámide en la superficie del material, con una fuerza conocida, y se mide la penetración que alcanza. Si se trata de un polietileno, se utiliza una esfera de acero inoxidable sobre la superficie, midiéndose la penetración que alcanza para una carga dada.

Otra propiedad importante del material es la de termofluencia, es decir, la deformación que sufre con el tiempo al someterse a una carga conocida. La deformación elástica que sufre inicialmente el material ante una carga dada, es seguida de una termofluencia (algo así como el corrimiento entre las capas atómicas que lo constituyen, similar a lo que sucede con los fluidos), antes de que se presente la fractura.

El desgaste de un material de implantes tiene importancia en especial si se trata de remplazar uniones. El desgaste del material está estrechamente relacionado con la fricción entre los dos materiales. Es importante considerar el área real de la superficie que entra en contacto en la unión requerida ya que, en general, es mucho menor de lo que aparenta; ésta puede incrementarse con el peso que se aplica para los materiales dúctiles y para los elásticos.

En las prótesis de uniones entre huesos, el desgaste es muy importante, y resulta del movimiento y recolocación de los materiales usados.

Hay diferentes tipos de desgaste: el corrosivo, debido a la actividad química de alguno de los materiales de la unión; el de fatiga superficial, debido a la formación de pequeñas fracturas que pueden dar lugar a un rompimiento del material, y el abrasivo, en el cual partículas de una superficie son empujadas hacia la otra en la que se adhieren, debido al movimiento que se tiene.

Cuando hay lubricación entre dos superficies en contacto, la fricción y las propiedades de desgaste cambia drásticamente. En la mayoría de las aplicaciones a implantes existe algún tipo de lubricante.

Como podemos notar, la física está presente en todas las ramas de la medicina: no sólo en la investigación básica, también en la instrumentación, en los implantes, en la clínica, en diagnosis, en terapia, etcétera.

Es tradicional que los estudiantes tengan problemas tanto en física como en matemáticas porque desde muy jóvenes les han hecho sentir que son materias muy difíciles, incluso algunas veces se dan por vencidos antes de tratar de entender los conceptos básicos, y esto obviamente dificulta su aprendizaje. Este fenómeno se da en todos los niveles de la educación; sin embargo, vivimos en un mundo en el que la física está presente en todo momento, ya que es la ciencia que explica el comportamiento de la naturaleza. El cuerpo humano y la tecnología que para él podemos desarrollar no pueden quedar excluidos.

Con este pequeño libro esperamos que los estudiantes de medicina ahuyenten su miedo por la física y que los estudiantes de física se interesen en las aplicaciones que ésta tiene en medicina.

4. MATERIALES CERÁMICOS

Los productos cerámicos son materiales sólidos inorgánicos no metálicos que pueden ser cristalinos o no cristalinos. Los materiales cerámicos no cristalinos incluyen el vidrio y unos cuantos materiales más con estructuras amorfas.

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Los materiales cerámicos son muy resistentes al calor, la corrosión y el desgaste, no se deforman fácilmente cuando se someten a esfuerzos y son menos densos que algunos metales empleados en aplicaciones de alta temperatura. Algunos materiales ceramicos que se usan en aviones, proyectiles y vehículos espaciales pesan sólo el 40% de lo que pesarían los componentes metálicos a los que sustituyen.

A pesar de tantas ventajas, el empleo de productos cerámicos como materiales de ingeniería ha estado limitado por su naturaleza extremadamente quebradiza. En tanto que un componente metálico podría abollarse si se le golpea, una pieza cerámica por lo regular se hace pedazos porque los enlaces impiden que los átomos se deslicen unos sobre otros. Además, es difícil fabricar componentes cerámicos sin defectos. Efectivamente, los elevados costos de fabricación y la incierta confiabilidad de los componentes son barreras que deberán vencerse antes de que los materiales cerámicos se utilicen más ampliamente para sustituir a los metales y a otros materiales estructurales. Es por ello que la atención en años recientes se ha enfocado en el procesamiento de los materiales cerámicos, así como en la formación de materiales cerámicos compuestos y el desarrollo de recubrimientos cerámicos delgados sobre materiales convencionales.

 Materiales cerámicos compuestos

Los objetos cerámicos son mucho más fuertes cuando se forman a partir de una mezcla compleja de dos o más materiales. Semejantes mezclas se denominan materiales compuestos o composites. Los materiales compuestos más eficaces se forman por la adición de fibras cerámicas a un material cerámico.

Así, el material compuesto consiste en una matriz cerámica que contiene fibras embebidas de un material cerámico, que podría o no tener la misma composición química que la matriz. Por definición, una fibra tiene una longitud de por lo menos 100 veces su diámetro. Las fibras suelen tener una resistencia elevada cuando se someten a cargas aplicadas a lo largo de su eje longitudinal. Si las fibras están embebidas en una matriz, la fortalecen porque resisten deformaciones que ejercen un esfuerzo sobre la fibra a lo largo de su eje longitudinal.

La formación de fibras cerámicas se ilustra con el caso del carburo de silicio, SiC, o carborúndum. El primer paso de la producción de fibras de SiC es la síntesis de un polimero, polidimetilsilano:

Si este polímero se calienta a cerca de 400ºC, se convierte en un material que tiene atomos de carbono y silicio alternantes a lo largo de la cadena:

Las fibras formadas a partir de este polímero se calientan entonces lentamente a cerca de 1200° C en una atmósfera de nitrógeno para expulsar todo el hidrógeno y todos los átomos de carbono excepto los que enlazan directamente los átomos de silicio.

El producto final es un material cerámico con composición SiC, en forma de fibras cuyo diámetro varía entre 10 y 15 um. Mediante procedimientos similares, partiendo de un polímero orgánico apropiado, es posible fabricar fibras cerámicas con otras composiciones, como el nitruro de boro, BN. Si las fibras cerámicas se agregan a un material cerámico procesado como se explicó antes, el producto resultante tiene una resistencia mucho más alta a las fallas catastróficas por agrietamiento.

Aplicaciones de los materiales cerámicos

Los productos cerámicos, sobre todo los nuevos "composites" cerámicos, se utilizar ampliamente en la industria de las herramientas para cortar. Por ejemplo, la alúmina reforzada con fibras extremadamente finas de carburo de silicio se usa para cortar y maquinar hierro colado y aleaciones más duras a base de níquel. También si utilizan materiales cerámicos en las ruedas de amolar y otros abrasivos a causa de si excepcional dureza (Tabla 12.4). El carburo de silicio es el abrasivo más ampliamente utilizado.

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 Los materiales cerámicos desempeñan un papel importante en la industria electrónica. Los circuitos integrados semiconductores generalmente se montan en un sustrato de cerámica, por lo regular alúmina. Algunos materiales cerámicos, notablemente el cuarzo (Si O2 cristalino), son piezoeléctricos, lo que significa que generan un potencial eléctrico cuando se les somete a un esfuerzo mecánico. Esta propiedad hace posible el empleo de materiales piezoeléctricos para controlar las frecuencias en los circuitos electrónicos, como en los relojes de cuarzo y los generadores ultrasónicos.

Se usan materiales cerámicos para fabricar placas cerámicas que cubren las superficies de los transbordadores espaciales, a fin de protegerlas contra el sobrecalentamiento durante el reingreso en la atmósfera terrestre. Las placas se fabrican con fibras de sílice cortas de alta pureza reforzadas con fibras de boro silicato de aluminio. El material se moldea en bloques, se sinteriza a más de 1300° C luego se corta en placas. Las placas tienen una densidad de apenas 0.2 g/cnr, pero pueden mantener la piel de aluminio del trasbordador por debajo de los 180º C cuando la temperatura superficial es de hasta 1250ºC.

5. PELÍCULAS DELGADAS

Las películas delgadas se utilizaron inicialmente con fines decorativos. En el siglo XVII, los artistas aprendieron a pintar un patrón en un objeto cerámico con una disolución de una sal de plata y calentar después el objeto para causar la descomposición la sal y dejar una película delgada de piata metálica. Hoy día, las películas delgadas se utilizan con fines de decoración o de protección: para formar conductores, resistores y otros tipos de películas en circuitos, microelectrónicas; para formar positivos fotovoltaicos que convierten energía solar en electricidad; y para muchas otras aplicaciones.

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Las películas delgadas pueden hacerse con cualquier tipo de material, incluidos metales, óxidos metálicos y sustancias orgánicas.

El término película delgada no tiene una definición precisa; en general se refiere a peliculas cuyo espesor va de 0.1 um hasta unos 300 um, y normalmente no se aplica cubrimientos como pinturas o barnices, que suelen ser mucho más gruesos. Para que una película delgada sea útil, debe poseer todas o casi todas las propiedades siguientes: (a) debe ser químicamente estable en el entorno en el que se usará; debe adherirse bien a la superficie que cubre (el sustrato); (c) debe tener un espesor uniforme; (d) debe ser químicamente puro o tener una composición química controlada; y (e) debe tener una baja densidad de imperfecciones. Además de estas características generales, podrían requerirse propiedades especiales para ciertas aplicaciones. Por ejemplo, la película podría tener que ser aislante o semiconductora, o poseer propiedades ópticas o magnéticas especiales-

Una película delgada so debe adherir al sustrato subyacente para poder ser util. Dado que la película es inherentemente frágil, depende del sustrato para su apoyo estructural. Tal apoyo sólo se logra si la película está unida al sustrato por fuerzas tensas. Las fuerzas de unión pueden ser químicas; es decir, una reacción química en la superficie puede conectar la película con el material subyacente. Por ejemplo, cuando un óxido metálico se deposita en vidrio, las redes de óxido del óxido metálico del vidrio se combinan en la interfaz para formar una zona delgada de composición intermedia. En estos casos las energías de enlace entre la película y el sustrato tienen una magnitud del mismo orden que la de los enlaces químicos, es decir, de 250 a 400 KJ/mol. En algunos casos, empero, la unión entre la película y el sustrato se basa únicamente en fuerzas intermoleculares de Van der Waals y electrostáticas, como podría darse cuando una película de un polímero orgánico se deposita en una superficie metálica. Las energías que unen la película al sustrato en tales casos pudrían ser sólo del orden de 50 a 100 kJ/mol, así que las películas no son tan robustas.

Usos de las películas delgadas

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Las películas delgadas se usan en microelectrónica como conductores, resistores condensadores. También se usan ampliamente como recubrimientos ópticos en lentes para reducir la cantidad de luz reflejada en la superficie del lente y para proteger la lente. Las películas delgadas metálicas se han utilizado desde hace mucho como recubrimientos protectores de metales; por lo regular, se depositan a partir de soluciones empleando corrientes eléctricas, como en el chapeado con plata y el "cromado".

Las superficies de herramientas metalicas se cubren con películas delgadas cerámicas para aumentar su dureza. Aunque consumidor no se da cuenta de ello, casi todas las botellas de vidrio que compra estan recubiertas con una o más películas delgadas. Las películas se aplican al vidrio con objeto de reducir las rayaduras y la abrasión y aumentar la lubricidad, es decir, la facilidad con que las botellas pueden deslizarse unas contra otras. La película delgada más común es de óxido de estaño (IV), Sn O2.

Formación de películas delgadas

Las películas delgadas se forman por diversas técnicas, que incluyen depositación al vacío, depositación electrónica y depositación de vapor químico.

La depositación al vacío se usa para formar películas delgadas de sustancias que se pueden vaporizar o evaporar sin destruir su identidad química. Tales sustancias incluyen metales, aleaciones metálicas y compuestos orgánicos simples con óxidos, sulfures, fluoruros y cloruros.

La depositación electrónica implica el empleo de un alto voltaje para eliminar material de una fuente, u objetivo. Los átomos desprendidos del objetivo viaja través del gas ionizado dentro de la cámara y se depositan en el sustrato. La superficie del objetivo es el electrodo negativo, o cátodo, del circuito; el sustrato puede estar conectado al electrodo positivo, o anodo.

La cámara contiene un gas inerte como argón que se ioniza en el campo de alto voltaje. Los iones, cargados positivamente, se aceleran hacia la superficie del objetivo y chocan contra ella con suficiente energía como para desprender átomos del material objetivo. Muchos de estos átomos se aceleran hacia la superficie del sustrato y, al chocar con ella, forman una película delgada.

La depositación electrónica se utiliza ampliamente para formar películas delgadas de elementos como silicio, titanio, niobio, tungsteno, aluminio, oro y plata. Tambien se emplea para formar películas delgadas de materiales refractarios como carburos, boruros y nitruros en las superficies de herramientas metálicas, para feriar películas lubricantes suaves como las de disulfuro de molibdeno, y para aplicar cubrimientos ahorradores de energía a vidrio arquitectónico.

En la depositación de vapor químico, la superficie se recubre con un compuesto químico volátil y estable a una temperatura por debajo del punto de fusión de la superficie. Entonces, el compuesto sufre algún tipo de reacción química para formar un recubrimiento adherente estable.

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Paerson Educación México 2004 Unidad 12

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Alcoser Serrano Paco Junior

Guayaquil – Ecuador – 2004

Escuela Superior Politécnica del Litoral

(ESPOL)