Aplicaciones del análisis tèrmico

El análisis térmico cabe en todos los campos y áreas que manejen materiales que puedan sufrir cambios en un rango determinado de temperaturas, entre algunos están:

- Alimentos
- Carbones
- Polímeros
- Energías
- materiales sólidos

Espectrometría de masas

Difracción de Rayos X

Los rayos X fueron descubiertos por accidente en 1895 por el físico Alemán Wilhelm Conrad Röntgen, profesor de la Universidad de Würzburg  y recibieron ese nombre debido a que en ese entonces su naturaleza era desconocida. Algunas características son:

• Son invisibles.

• Viajan en líneas rectas.

•  Afectan películas fotográficas.

• Son mucho más penetrantes que la luz y pueden atravesar fácilmente el cuerpo humano, madera, piezas metálicas y objetos opacos.

La mayoría de las mediciones de la intensidad de rayos X son hechas por conteo del número de fotones incidentes en un detector o por medición de los grados de ennegrecimiento de la película fotográfica expuesta al chorro de rayos X.
Una carga en oscilación continua alrededor de alguna posición media, actúa como una excelente fuente de radiación electromagnética.

Espectroscopía de Impedancias

En muchos materiales, especialmente aquellos que no son considerados buenos conductores eléctricos, la impedancia varía con la frecuencia del voltaje aplicado debido a la estructura física del material o a procesos químicos ocurridos en él, otros materiales presentan una buena respuesta eléctrica al someterse a un proceso de activación térmico. Con la espectroscopía de impedancias es posible analizar propiedades dieléctricas de regiones intragranulares e interfaciales en materiales policristalinos, sus interrelaciones y su dependencia con variables controlables como la temperatura, la frecuencia y el voltaje aplicado. Esta técnica está caracterizada por la medición y análisis de la respuesta eléctrica del material bajo estudio sometido a un estímulo eléctrico dependiente del tiempo. El análisis puede ser auxiliado por una o más de las funciones relacionadas con la fenomenología involucrada a saber: impedancia (Z* = Z’-jZ”), admitancia (Y* = 1/Z*), permitividad (ε*=1/jωCoZ*) o módulo complejo (M*=1/ε*).

En los electrolitos la conductividad ocurre por la migración de iones, pero esta no es fácil medirla por la resistencia al flujo iónico en las interfaces electrodo – electrolito: es mucho más difícil establecer una interfase a baja resistencia para el flujo iónico que para el flujo electrónico. Este problema se supera usando espectroscopía de impedancias ac que consiste en colocar el electrolito entre un par de electrodos (emparedado), a los que se aplica un potencial sinusoidal. Se mide la respuesta en la corriente resultante I y el ángulo de desfase entre el voltaje aplicado  y la corriente; la medida, se repite para una serie se frecuencias que en nuestro caso están entre 20Hz y 20MHz.

Análisis Termogravimétrico TGA

La Termogravimetría (TG) es una técnica que permite examinar los cambios de peso de una muestra en función de su temperatura como se puede observar en la figura. Esta técnica es usada para caracterizar la descomposición y la estabilidad térmica de los materiales bajo una variedad de factores, además de examinar la cinética de los procesos físico-químicos que ocurren en estos [1]. Aunque no todos los eventos térmicos significan cambios de peso; como por ejemplo, la fundición, la cristalización o la transición vítrea; existe un gran número de estados que sufren los compuestos asociados directamente a estos cambios; algunos de ellos son la desorción, absorción, sublimación, vaporización, oxidación, reducción, y descomposición.

Esquema de una curva TG.

[1]        HATAKEYAMA, T and QUINN, F. X. Thermal analysis: fundamentals and applications to polymer science. National Institute of Materials and Chemical Research, Ibaraki, Japan (1995), p. 38.

Calorimetría de barrido Diferencial DSC

La Calorimetría de barrido diferencial (DSC) es una técnica de análisis térmico en la que la diferencia de calor entre una muestra y una referencia es medida como una función de la temperatura [1]. La muestra y la referencia son mantenidas aproximadamente a la misma temperatura a través de todo el experimento, donde probablemente el programa de temperatura para un análisis DSC es diseñado de tal modo que la temperatura del portador de muestra aumenta linealmente como función del tiempo. La muestra de referencia debe tener una capacidad calorífica bien definida en el intervalo de temperaturas en que vaya a tener lugar el barrido.

El principio básico subyacente a esta técnica es que cuando la muestra experimenta una transformación física, tal como una transición de fase, se necesitará que fluya más o menos calor a la muestra que a la referencia para mantener ambas a la misma temperatura. Entendiendo por transición de fase [2] al cambio de estado de un sistema como resultado de un cambio en sus condiciones externas, tales como: temperatura, presión o campos eléctricos o magnéticos.

El hecho de que fluya más o menos calor a la muestra depende de si el proceso es exotérmico o endotérmico. Por ejemplo, cuando una muestra sólida se funde a líquida se requerirá que fluya más calor a la muestra para aumentar su temperatura a la misma velocidad que la de la referencia. Esto se debe a la absorción de calor de la muestra en tanto ésta experimenta la transición de fase endotérmica desde sólido a líquido. Por el contrario, cuando la muestra experimenta procesos exotérmicos (tales como una cristalización) se requiere menos calor para alcanzar la temperatura de la muestra. Determinando la diferencia de flujo calorífico entre la muestra y la referencia, los calorímetros DSC son capaces de medir la cantidad de calor absorbido o eliminado durante tales transiciones.

El dispositivo empleado para realizar un estudio DSC se denomina calorímetro de barrido diferencial, el cual se compone de dos porta-muestras; uno para la muestra y otro para la referencia. En la DSC ambos porta-muestra tienen su calentador independiente, y así mismo, su propio sensor de temperatura. De esta manera, se mantienen los procesos de compensación de calor independientes mientras se mantienen ambos hornos a la misma temperatura. En esta técnica, la muestra no requiere una preparación especial, basta con ubicar unos cuantos mg en el porta-muestras (no más de 30mg), la referencia se escoge de tal forma que no sufra ninguna transición en el rango de temperatura de trabajo.

Esquema básico de un sistema DSC.

[1] HATAKEYAMA, T and QUINN, F. X. Thermal analysis: fundamentals and applications to polymer science. National Institute of Materials and Chemical Research, Ibaraki, Japan (1995), p. 38.

[2] GUITTERMAN, Moshe and HALPERN, Vivian. Phase Transitions: A brief account with modern applications. Editorial World Scientific, 2004. Bar-Ilan University, Israel; p. 1.

Sobre Análisis Térmico

La entrada del calor en la Física Matemática hizo que desde mediados del siglo XIX se desarrollase un gran interés en las medidas precisas del calor involucrado en diferentes tipos de procesos. Surge así la Calorimetría, impulsada por la exigencia del conocimiento de las propiedades térmicas de los materiales empleados en las máquinas térmicas. Víctor Regnault, por encargo del gobierno francés desarrolló una serie de técnicas calorimétricas para estudiar las propiedades del agua, su vapor y otras sustancias de interés ingenieril. El desarrollo de la termoquímica a manos de Julius Thomsen y Marcelin Berthelot supuso otro gran impulso a la ciencia de medida del calor [1]. En la segunda mitad del siglo XX, los avances en nuevos materiales, la electrónica y la informática supusieron el perfeccionamiento de los métodos existentes y el desarrollo de otros más amplios, precisos y fáciles de utilizar.

Hoy en día las técnicas de análisis térmico son requeridas por un sinnúmero de  industrias entre ellas las alimenticias, las farmacéuticas, las industrias poliméricas, metalmecánicas, de dispositivos de almacenamiento de energía, en investigaciones biomédicas, entre otras, ya que a partir de ellas se puede obtener información sobre la vida útil de los materiales, las temperaturas de almacenamientos de éstos, las temperaturas a las cuales se presentan cambios en sus propiedades físicas, los ambientes bajo los cuales se presentan agentes patógenos, las reacciones químicas a determinadas temperaturas etc.

[1] L. Romaní, Calorímetría y Análisis térmico, Laboratorio de termofísica, Universidad de Vigo, pg 1-5, http://es.scribd.com/doc/54018036/Calorimetria-y-Analisis-Termico

Conductividad iónica en sólidos

El primero en sugerir que los mecanismos de conducción eran completamente distintos fue Arrhenius. Entre 1880 y 1890, Arrhenius, estudiando la conductividad eléctrica de soluciones ácidas, sugirió que el mecanismo de conducción eléctrica en determinadas sustancias ocurría debido a la migración de los iones y no de los electrones como en los conductores metálicos. Esta hipótesis abrió las puertas para una serie de desarrollos sobre la conductividad eléctrica y por eso le concedieron el premio Nóbel de química.

Actualmente se verifica que la conducción eléctrica ocurre por la migración, de electrones o iones, en distancias del orden del tamaño de los cristales. La conducción generalmente prevalece para uno u otro material, pero en algunos materiales inorgánicos la conducción electrónica y iónica es observada simultáneamente [1].

Uno de los aspectos más importantes de los defectos, es que hacen posible el movimiento de átomos o iones dentro de la estructura. El movimiento de los átomos en una red cristalina se explica por los fenómenos de difusión y conductividad iónica. Son dos los posibles mecanismos para el movimiento de los iones a través de la red, los cuales se observan en las figuras 2.5 y 2.6. Son los mecanismos de vacancias e intersticial, conocidos como modelos de saltos y en él se ignoran movimientos cooperativos más complicados.

Los valores de conductividad típicos están en la Tabla 2.1[1]. Las conductividades son generalmente dependientes de la temperatura y aumentan con el incremento de la temperatura para todos los materiales, excepto los metales. En este caso, la mayor conductividad es observada a bajas temperaturas.

Tabla 2.1: Valores típicos de conductividad eléctrica [1].

Conductores iónicos	Cristales iónicos	< 10-16-10-4 (Wcm)-1
	Electrólitos sólidos	10-4-101 (Wcm)-1
	Electrólitos Fuertes (líquidos)	10-1-103 (Wcm)-1
Conductores Eletrónicos	Metales	103-107 (Wcm)-1
	Semiconductores	10-7-105 (Wcm)-1
	Aislantes	< 10-10 (Wcm)-1

La conductividad iónica, derivada de la migración de los iones, no ocurre en gran extensión en la mayoría de los sólidos iónicos y covalentes, tales como los óxidos y haluros. Puede parecer polémico mencionar la conductividad iónica en sólidos covalentes, sin embargo, es necesario tener en mente que la expresión "sólidos covalentes" se refiere a la predominancia de la covalencia, sin despreciar cualquier proporción del carácter iónico en los enlaces. En estos casos, los átomos tienden a quedarse esencialmente fijos en sus posiciones en el retículo y sólo pueden moverse a través de defectos en el retículo cristalino [1]. Únicamente a temperaturas altas, donde la concentración de los defectos es realmente elevada y donde los átomos adquieren energía térmica, entonces la conductividad iónica se hace apreciable. Como ejemplo, la conductividad iónica del NaCl a aproximadamente 1073 K (800 ºC), un poco debajo de su fusión, es aproximadamente 10^-1 (Wm)^-1, mientras a la temperatura ambiente el NaCl es un aislante [1].

Existe, sin embargo, un grupo de sólidos llamados indistintamente electrólitos sólidos, conductores iónicos rápidos o conductores superiónicos, en los cuales un conjunto de iones, los aniones o los cationes, pueden moverse libremente.

Referencias:
[1] Química de materiales, Carlos Córdoba Barahona, universidad de Nariño (1998)

sólidos conductores

Aunque la mayoría de los dispositivos electroquímicos que se están distribuyendo comercialmente se basan en electrolitos acuo-líquidos de conducción iónica, se está trabajando intensamente por remplazar estos materiales debido a las limitaciones que imponen en los dispositivos donde son empleados, como lo son: los estrechos rangos y elevadas temperaturas de operación, los cortos ciclos de vida, su gran tamaño, la dificultad de ser elaborados, entre otras. Debido a lo anterior, se está trabajando intensamente en el desarrollo de conductores iónicos en estado sólido, los cuales presentan valores de conductividad más elevados, rangos de temperatura de operación más flexibles cercanos a la temperatura ambiente, son más fáciles de elaborar; por lo que son más convenientes para la aplicación en dispositivos electroquímicos, como las celdas de combustible.  

Poliméros conductores

Los polímeros son macromoléculas, en su mayoría de tipo orgánicas, formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros. Una de sus principales características es que son generalmente malos conductores eléctricos, por lo que se emplean masivamente en la industria eléctrica y electrónica como materiales aislantes peo como hay excepciones a las reglas, se conoce que la adición de un relleno dentro de la matriz polimérica permite reducir la temperatura de transición vítrea (T_g) y la cristalinidad del polímero, permitiendo así incrementar las fases amorfas de la matriz, lo que incrementa la conductividad iónica, es decir que puede convertirse en conductor iónico a un polímero inicialmente dieléctrico a partir de la incorporación de un material externo. A continuación podemos visualizar como los poliméros conductores tienen aplicación en la electrónica molecular:

Funcionamiento de una celda combustible

El electrolito es el componente fundamental de toda celda de combustible, éste determina cada uno de los materiales utilizados en ella, su eficiencia, la potencia y tensión de salida, la temperatura de operación, entre muchos otros factores. Principalmente, el electrolito se caracteriza por aislar los electrones disociados del combustible, obligándolos a fluir por un circuito externo entre los electrodos; y por ser un excelente conductor iónico, que posibilita el paso de los protones de hidrógeno al interior de la celda.

Las celdas de combustible funcionan en forma similar a una batería. Su labor se basa en las reacciones electroquímicas entre un combustible, en este caso un compuesto rico en hidrógeno; y un agente oxidante, en este caso el oxígeno del aire; donde no se da lugar a procesos de combustión intermedios. Las celdas de combustible generan energía eléctrica y un poco de calor mientras se les suministren el combustible y el agente oxidante. A continuación se puede apreciar un video sobre el funcionamiento de las celdas de combustible:

La Increible tejedora Néphila Clávipes

El hilo de araña es un polímero biodegradable que podría ayudar a otros sólidos a convertirse en materiales conductores, la especie Néphila Clávipes se caracteriza por ser un arácnido inofensivo y por producir el hilo con un característico color Oro, las hembras pueden ser del tamaño de la palma de la mano y son las que se dedican a la fabricación de tan arquitectónicas redes que pueden medir hasta más de 5m de diametro, los machos son de tamaño muy pequeño, pueden aproximarse al tamaño de una mosca y se aprovechan de la casa y de la construcción de las hembras, en el video que se muestra a continuación se puede ver como estas artistas tejen su mansión.