La superconductivitat apareix amb molts tipus de materials, per exemple amb metalls com l’alumini i l’estany, en materials ceràmics o en aliatges metàl·lics i alguns semiconductors modificats. En canvi no té lloc en metalls nobles com l’or i la plata ni amb la majoria de metalls ferromagnètics.

Propietats dels superconductors:

La majoria de propietats físiques com la capacitat calorífica o la temperatura critica o passen a ser superconductors varien segons el material superconductor. Però tenen una sèrie de propietats iguals, com per exemple la resistència 0 al pas de la corrent elèctrica.

Fins ara no es coneix cap material que sigui superconductor a més de -88ºC a pressió ambient. Tot i això, no ni ha prou amb refredar el material, s’ha de tenir amb compte que per mantenir el material en estat de superconductor no es pot sobrepassar una determinada corrent crítica i un camp magnètic crític.

A temperatura més alta que la crítica deixa passar el camp magnètic, si és més baixa no

Els materials superconductors la seva propietat més bona és que, en principi poden portar una corrent infinita ja que la resistència és 0, però tots els que es coneixen fins ara, tenen un límit que es diu corrent crítica. Si es sobrepassa la corrent critica el material deixa de ser superconductor i per tant, torna a tenir resistència. El mateix passa amb els camps magnètics, els repèl però fins a un límit on no pot més.

Els superconductors de alta temperatura:

Desprès de una anys sense avançar en el camp dels semiconductors al 1986 Bednorz i Müller varen descobrir que una família de materials ceràmics eren superconductors a temperatures clítiques superiors als -183ºC. Aquests materials varen fer tornar el interès pels superconductors, perquè amb aquestes temperatures és més fàcil treballar, ja que es pot utilitzar el nitrogen líquid per refredar, i donen esperances de trobar un material superconductor a temperatura ambient el que suposaria una revolució en la industria del segle XXI. El problema que hi ha és que són materials ceràmics i no tenen gens de deformació plàstica, i és important que en tingués per poder fer cables que portessin elasticitat, això seria el seu ús més lògic. Però ja estan investigant per millorar això.

Aplicacions:

Els imants superconductors s’utilitzen en els trens maglev que són uns trens d’alta velocitat que funciones gràcies a que es repelen uns imans, també en màquines de ressonàncies magnètiques en hospitals i en el direccionalment de un feix de llum en un accelerador de partícules. També s’utilitzen per fer circuits de digitals, i filtres de radiofreqüència i microones per a les estacions base de la telefonia mòbil.

En un futur s’espera que es puguin utilitzar per fer transformadors d’alt rendiment, dispositius de emmagatzematge de energia, per portar energia elèctrica, en motors elèctrics i dispositius de levitació magnètica. Tot i això per exemple els transformadors serà més difícil d’aconseguir, ja que els superconductors són sensibles als camps magnètics en moviment i per tant, el que funcioni amb corrent alterna serà més difícil de fer.

Tot sembla indicar que en un futur no molt llunyà tindrem superconductors però en algunes aplicacions molt concretes de moment. A continuació ús deixo un vídeo on es veu un superconductor, que passa a temperatura ambient i desprès refredant-lo amb nitrogen líquid.

Click here to view the embedded video.

A partir d’aquesta aposta va crear aquest material que està compost per entre un 90 i 99,8% de aire, per fer-nos una idea de la poca densitat que té, si comparem amb altres materials, és unes mil vegades menys dens que el vidre i unes 3 vegades més dens que l’aire. Rep diferents noms, com per exemple Fum gelat o Fum blau, tots referits a la seva naturalesa semitransparent. El seu tacte és semblant al de l’espuma.

Es pot fabricar a partir de materials molt diferents. Les investigacions de Kirstler consistien en aerogels creats a partir de silici, alumini, òxid de crom, estany i carboni. L’aerogel té moltes aplicacions comercials, tot i que principalment s’utilitza com a aïllant tèrmic en les finestres dels edificis de oficines. A part de les propietats com a aïllant, també té propietats com per exemple que aguanta 1000 vegades el seu pes, o que esmorteeix en un 89% els impactes.

Es poden fer servir com a aïllants tèrmics ultralleugers en estructures aèries, el que permetria en aquestes flotar indefinidament a l’aire. Per fer-ho l’estructura exterior seria d’aerogel i faria de aïllant amb l’interior. I per tenir prou diferencia te temperatura per mantenir-se flotant, amb l’aerogel transparent podria funcionar, ja que permet l’entrada de calor però no la deixa sortir, com un vidre, nomes l’hauríem de elevar fins a una altura on hi hagués prou diferencia de temperatura entre l’interior i l’exterior.

Per acabar us deixo un vídeo en angles on es pot veure com és i les seves bones propietats aïllants tèrmiques, en un moment del vídeo es pot veure com agafa un tros de aerogel amb la mà, li acosta una flama i no li passa res.

Click here to view the embedded video.

El titani és un metall de transició bastant abundant a l’escorça terrestre. És un element metàl·lic amb una estructura hexagonal compacta, és bon conductor de l’electricitat i de la calor, és dur, refractari i presenta una gran resistència a la corrasió (semblant a la del platí). En estat pur, és un metall lleuger, fort i amb una densitat relativament baixa. Té unes propietats mecàniques molt bones, i comparat amb altres metalls de característiques semblants, com per exemple l’acer, el titani té l’avantatge de que pesa menys.

Els aliatges de titani són excepcionals. En resum els seus avantatges són:

• Pot arribar a resistències mecàniques semblants a les d’un bon acer
• La meitat de densitat, i amb un pes bastant inferior a metalls de propietats mecàniques semblants
• Té molt bona resistència a l’oxidació i a la corrosió.
• Bon conductor de l’electricitat

Però quan un enginyer s’enfronta al titani comencen a sorgir problemes:

• Primer de tot el preu, de l’ordre de 100 vegades superior al d’un bon acer
• Com que té una estructura hexagonal fa difícil poder laminar, forjar, extruir… és a dir, costa donar-li forma
• També és difícil de tallar i soldar, a no ser que s’utilitzi tecnologia punta
• Al ser molt noble, si esta en contacte amb altres metalls a través d’un fluid, el destrueix, perquè el titani fa de càtode i l’altre metall es converteix en ànode i es consumeix

A la naturalesa no hi ha titani en estat pur, tot i això, és el novè element en abundància en l’escorça terrestre.  Es troba principalment en els minerals següents: ilmenita, leucoxè, rútil, anatasa, brookita,  perovskita, titanita, titanat i en moltes menes de ferro. D’aquests minerals, només 3, la ilmenita, el leucoxè i el rútil són interessants econòmicament. Es troben grans quantitats d’aquests minerals a Australia, Escandinàvia, Estats Units, Sud-àfrica i a Malàisia.

El titani amb forma de metall s’aconsegueix per mitjà del procés de Kroll, que consisteix amb la reducció de tetraclorur de titani amb magnesi a uns 800ºC sota una atmosfera d’argó. Fent això, s’obté un material porós anomenat esponja de titani, que desprès es purifica i compacta per donar lloc al titani. Normalment s’utilitza amb aliatges amb alumini, ferro, manganès, molibdè i altres metalls.

Aplicacions:

• En la industria militar s’utilitza com a material de per a fer blindatges, en la construcció de portaavions, en la carrosseria de vehicles lleugers, submarins nuclears i fins i tot per fabricar míssils.
• En la industria automobilística, s’està incorporant la fabricació de components de titani. Per exemple s’utilitza per reduir pes en els cargols i en les molles de les suspensions, on és molt útil ja que millora el mòdol de Young, augmentant la qualitat de les suspensions.
• En la industria aeronàutica i especial gràcies a la seva baixa densitat i com que pot aguantar temperatures bastant altes (punt de fusió a  1675ºC), els aliatges de titani s’utilitzen en avions i coets especials.
• També s’utilitza en la construcció d’embarcacions ja que el titani és resistent a la corrosió i pot estar en contacte amb l’aigua de mar sense problemes.  
• S’utilitza en la fabricació de rellotges esportius que requereixen un metall resistent, fort i lleuger. Amb el titani s’aconsegueixen rellotges resistents, un 30% més que els fets amb acer, que són més lleugers i resistents a la corrosió.
• En joieria s’utilitza com a metall seminoble, que s’usa per fer arracades, anells, polseres, etc.
• En muntures d’olleres.
• Multituds d’elements esportius utilitzen titani, com per exemple, pals de golf, bicicletes, canyes de pescar,etc.
• Es considera que és fisiològicament inert, per la qual cosa s’utilitza en medecina per reforçar ossos que s’han trencat, amb pròtesis, per arreglar les dents i en tot tipus d’aparells ortopèdics.
• Alguns compostos de titani poden tenir aplicacions en tractaments contra el càncer. Per exemple, el clorur de titanocè en el cas de tumors gastrointestinals i de mama.
• També s’han emprat làmines primes de titani per a recobrir alguns edificis, com per exemple el Museu Guggenheim de Bilbao.

Queda clar que el titani té multitud d’aplicacions, bé a ser com un acer d’alta qualitat amb avantatges com el de la corrosió i el del pes. Però clar té un gran problema, que és el preu. I com que no es troba en estat pur, és difícil que baixi molt de preu a causa dels processos que s’han de fer per obtenir-lo. És un gran material, però útil en llocs on realment es necessiten les seves propietats, però sempre que l’acer pugui anar bé és millor gràcies a que és molt més barat.

Fabricació:

La fibra de carboni es forma a partir de 2 materials. En la majoria de casos (aproximadament un 75%) s’utilitzen polímers termostables. Aquest polímer habitualment és resina termostable, però també s’utilitzen altres com el poliester o el vinilester tot i que cada cop s’utilitzen menys aquests 2 últims. Aquests materials són la base, però sols no tenen les propietats mecàniques que es busquen. Per aconseguir-les, es reforça aquest material amb fils de carboni, posats en forma de matriu, creant una espècie de teixit de fils de carboni. El procés de fabricació té lloc a alta temperatura, entre 1100ºC i 2500ºC, i ha de ser amb una atmosfera d’hidrogen. Aquest procés dura setmanes o fins i tot mesos depenent de la qualitat que es busqui. En la següent imatge es pot veure el teixit que formen els fils de carboni.

Propietats:

•  Alta resistència mecànica amb un mòdol de elasticitat molt elevat
•  Baixa densitat
•  Resistència als agents externs
•  Bones propietats ignifugues
•  Resistència a les variacions de temperatura, conservant la seva forma (només si s’utilitzen termostables)

Per fer-nos una idea de les propietats anteriors, podem comparar la fibra de carboni amb l’acer i tenim que:

•  El mòdol de resistència  a la tracció és 3 vegades superior a l’acer
•  La densitat de la fibra de carboni és 4,5 vegades inferior

El principal problema de la fibra de carboni és el seu preu. És cara perquè té molt bones qualitats mecàniques i sobretot pel seu costos procés de producció. També per l’ús de termostables que dificulta el procés de creació de la peça final, i que necessita una maquinària complexa i especialitzada.

Aplicacions:

Gràcies a les seves propietats mecàniques i al seu pes reduït, s’utilitza en la industria de l’aeronàutica, l’automobilisme, en vaixells, per fer bicicletes, etc. Cada cop més també es fa servir en articles de consum com per exemple els patins en línia, les canyes de pescar, cascs per anar amb moto, ordinadors portàtils, o inclús amb joieria. A continuació hi ha uns exemples amb fotos:

Per exemple s’utilitza en portàtils i amb telèfons

En cascs

O en peces per cotxes

Bé, com es pot veure, la fibra de carboni és un material molt útil en la fabricació de moltes coses i cada cop s’està utilitzant més. De moment és un material bastant exclusiu degut al seu preu, però està baixant i cada cop s’utilitza en més coses. Crec que té molt de futur, segur que les seves bones propietats encara milloraran més i d’aquí uns anys, serà un material molt mes habitual que ara.

Els nanotubs és un material descobert a principis dels anys 90, i que des de aleshores  s’està investigant. Aquest material són unes estructures en forma de tub de carboni molt petits que segons les seves magnituds tenen diferents comportaments molt interessants. Per què ens fem una idea de la mida que tenen, el seu diàmetre és aproximadament 10000 vegades més petit que el de un cabell. El que s’està investigant més són els nanotubs de carboni, però també poden ser d’altres materials com per exemple, nitrogen, hidrogen, oxigen i altres elements

I us preguntareu, per a què poden servir aquests nanotubs tan petits?

Doncs tenen múltiples aplicacions en camps molt diversos. Segons les dimensions d’aquests nanotubs canvien les seves propietats, i això fa que el seu estudi sigui difícil. Una de les seves propietats és que són molt bons conductors de l’electricitat i a més a més són molts forts, un nanotub perfecte és entre 10 i 100 vegades més fort que l’acer.

Per tant, es poden utilitzar com a conductors elèctrics, i per crear estructures molt resistents. Un exemple el tenim a la NASA que està investigant com crear un ascensor per anar a una estació espacial que hi ha a 36Km d’altura. També estan investigant per utilitzar-los com a biosensors, i es podran fer servir en un futur dins el camp de la medecina.

A Estats Units, a part d’estudiar totes les aplicacions anteriors, estan investigant un sistema utilitzant els nanotubs que serveix per moure aigua de manera precisa, donant electricitat als nanotubs, canvien les seves propietats i fan que es pugui controlar l’aigua que està en contacte amb ells, i fins i tot poden servir per desalinitzar l’aigua. Com es veu tenen moltes aplicacions, fins i tot Samsung a fet una televisió usant aquesta tecnologia. Per tant sembla ser que es una tecnologia amb molt de futur.

Com a curiositat, es veu que antigament sense saber-ho les espases de Damasc, tenien nanotubs de carboni a la seva estructura. A la seva fabricació intervenia el carbó, i es veu que unes reaccions químiques en el procés de forja de les espases van crear aquest nanotubs sense que el fabricant en fora conscient.