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Materiales inteligentes e
ingeniería de superficies
Joaquín Oseguera
Olimpia Salas
Alex Elías
Horacio Ahuett
Ciro Rodríguez
8.1 Descripción
8.1.1 Definición
Materiales cuyas propiedades eléctricas, mecánicas, acústicas o cuya
estructura, composición o funciones cambian de manera específica en
respuesta a un estímulo proveniente del ambiente. Este cambio debe ser
predecible y capaz de ser incorporado como tecnología en productos
comerciales.
La ingeniería de superficies se refiere a la modificación de la superficie de cualquier material para producir componentes con una combinación única de propiedades que mejoren –de manera predecible- su
desempeño, impacto en el ambiente y costo.
Existen principalmente 5 diferentes tipos de materiales inteligentes, también utilizados en la ingeniería de superficies: piezo-cristales
(pzt), metales con efecto memoria, metales magneto-resistivos, vidrios electro-crómicos y los polímeros electro-activos y de efecto
memoria.
8.1.2 Detonadores
Los principales impulsores de la megatendencia son los avances en las
disciplinas involucradas, que incluyen: ciencia de superficies, técnicas
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LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS
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CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES
de vacío, magnetismo, caracterización de superficies, plasmas, electrónica, biotecnología, catálisis y sobretodo los avances en nanotecnología.
8.1.3 Comportamientos tecnológicos
El impacto de la ingeniería de superficies se puede medir a través del número de sectores
donde tiene aplicaciones. Se han identificado al menos 15 sectores primarios donde esta
disciplina es un importante recurso tecnológico, incluyendo los biomateriales, la generación
de energía, la transformación de metales, la electrónica, la extracción de petróleo, la industria
automotriz, la aeronáutica y la alimentaria. Por ejemplo, un estudio hecho en Inglaterra indica
que el 80% de las industrias aeronáutica y automotriz depende de la ingeniería de superficies
y se ha reconocido que es uno de los métodos más importantes para diferenciar un producto
en términos de calidad, desempeño y costo. Adicionalmente, el progreso en esta disciplina ha
permitido a su vez el desarrollo de tecnologías emergentes muy relevantes en las economías
actuales por ejemplo los mems4, el almacenamiento de datos y las fibras ópticas.
Actualmente algunas industrias están estrechamente vinculadas a la utilización
de superficies y materiales inteligentes, como la aeronáutica, en donde la eficiencia
de los motores no se puede aumentar sin el uso de barreras térmicas aplicadas
en las superficie de componentes sometidos a altas temperaturas y cargas. Otro
ejemplo es el desarrollo de recubrimientos protectores para ambientes carburizantes, que ha requerido del desarrollo de modelos termodinámicos para aumentar las
bases de datos de corrosión en estos ambientes. Así también, la adaptación de la
espectrocopía molecular ha permitido analizar in-situ los productos de la corrosión
aumentando al mismo tiempo el rango de aplicaciones para esta técnica de análisis
(Argonne, 2007)
Existen diversos tipos de materiales inteligentes que están establecidos a nivel comercial, ya que las aplicaciones potenciales de estas tecnologías abarcan múltiples industrias. En México hay oportunidades en diversas áreas, particularmente en la industria
aeronáutica, en el desarrollo de la bio-medicina, para las aplicaciones de los bio-materiales y en la industria automotriz. Esta megatendencia está influenciando muchos productos industriales y de consumo.
Por otro lado, la diversidad ambiental y el cambio climático generan la demanda del
diseño de materiales vinculados con las propiedades y condiciones en que actuarán.
Además, debido a la pérdida de la calidad de ciertos instrumentos se diseñan mejores
técnicas de análisis de corrosión y desarrollo de recubrimientos protectores. También,
para mejorar las superficies se está diseñando la aplicación de tratamientos termoquímicos convencionales y asistidos por plasmas. Para la caracterización superficies y materiales se incrementa el uso de difracción de rayos X, la microscopía de campo y la
4) Sistemas micro-electro-mecánicos
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CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES
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microscopía de tunelaje. Finalmente se han utilizado diversas formas de interacción de la
radiación con la materia para caracterizar estructuralmente los materiales y superficies
A continuación se presentan ejemplos de la manera en que industrias existentes han
introducido el uso de materiales inteligentes. Se discuten también casos en que estas
aplicaciones pueden ampliarse.
8.1.3.1 Biomateriales
La biocompatibilidad de un material es quizá su propiedad más importante cuando éste
es usado como prótesis en la medicina y en el campo dental. La biocompatibilidad significa que el material no es tóxico, es decir, que no genera una reacción de rechazo cuando
es implantado en el cuerpo. Antes de la aparición de los materiales inteligentes y debido a las rigurosas demandas de las propiedades del material para biocompatibilidad,
sólo tres materiales metálicos habían sido autorizados para usarse como materiales para
implantes: Fe–Cr–Ni, Co–Cr and Ti–Al–V. Las investigaciones realizadas en la compatibilidad del Ti–Ni (nitinol), material con efecto memoria, demuestran que éste tiene una
resistencia a la corrosión superior a otros materiales metálicos. Esto se debe a la formación de capas pasivas de óxido de titanio (TiO2). Esta cualidad permite el uso extensivo
de brackets de nitinol en la industria dental, por ejemplo. Se ha reportado también el uso
de grapas para unir hueso en el campo de la medicina. De igual manera, esta propiedad
permite el desarrollo de equipo quirúrgico y de dispositivos médicos.
A partir de materiales inteligentes se ha desarrollando equipo de diagnóstico y farmacéutico para tratamientos, así como prótesis. Ejemplos típicos son las pinzas para
biopsias y stents (cubiertas intra-arteriales) de nitinol.
8.1.3.2 Estructuras inteligentes
Las estructuras inteligentes son compuestos de materiales que incorporan las funciones particulares de sensores y actuadores para desarrollar acciones inteligentes
que permiten detectar y prevenir fallas en éstas. Los cinco componentes básicos de
una estructura son: adquisición de datos (sensores táctiles), transmisión de datos
(nervios sensores), unidad de comando y control (cerebro), instrucciones de datos
(nervios motores) y mecanismos de acción. El desarrollo de estructuras con base
en materiales inteligentes ha sido explorado en los campos de la construcción, la
aeronáutica y la industria automotriz. Por ejemplo, existen puentes equipados con
sensores para monitorear la propagación de fracturas, desplazamiento de juntas,
vibración y corrosión.
8.1.3.3 Tecnología electrónica automotriz
La principal área de aplicación es en sensores, entre los que destacan los sistemas
micro electro-mecánicos o mems, utilizados en el sistema de antibloqueo (abs); en el
sistema de sensado de los cinturones de seguridad; en la detección de apertura y
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cierre del quemacocos y en la detección de las condiciones hidráulicas de los sistemas
abs y vso, por citar algunos ejemplos. Estos sensores utilizan generalmente materiales
piezo resistivos (pzt).
8.1.3.4 Estructural en el campo automotriz
La empresa General Motors tiene como objetivo para el 2010 el desarrollo de aleaciones
de memoria de forma y de polímeros para integrarlos en los nuevos diseños de vehículos, donde se desea aprovechar la ventaja de estos materiales para manipular sus
propiedades. En particular, la capacidad para recuperar la forma y rigidez cuando son
sometidos a un proceso de calentamiento, a un campo magnético o a una fuente de
voltaje pueden ser útiles después de un impacto.
Otro ejemplo de los resultados que gm ha obtenido es el desarrollo de suspensiones semi-activas (Delphis’s MagneRide). Ésta ha demostrado las bondades que
existenten al utilizar fluidos magnetoreológicos, los que presentan una rápida respuesta ante diferentes situaciones de manejo. Su aplicación permite la eliminación
de válvulas electromecánicas y una mayor versatilidad de los amortiguadores (al
poder cambiar hasta 1,000 veces por segundo el parámetro de viscosidad). El resultado final es un incremento en la seguridad y en el nivel de control de estabilidad
del vehículo.
8.1.3.5 Vibraciones
Las vibraciones y el ruido de transmisión estructural constituyen uno de los problemas
fundamentales cuando se quiere mejorar el confort en los medios de transporte, aumentar la vida útil de elementos y componentes o cuando se pretende reducir las vibraciones en procesos en máquinas-herramienta para mejorar la calidad de los acabados
superficiales. La solución del problema de la transmisión de vibraciones estructurales se
puede abordar ya sea controlando las fuentes o impidiendo el paso de las vibraciones a
través de los elementos de conexión. En este último caso, el aislante debe mantener dos
cualidades que son generalmente excluyentes: capacidad de filtrado de vibraciones y
sacrificar rigidez estructural. Para lograr estas características, se han utilizado materiales
piezocerámicos monolíticos embebidos en una matriz viscoelástica o fibras con matriz
polimérica. Además de añadir la resistencia del material base, la flexibilidad de la matriz
polimérica permite la confortabilidad en las superficies curvas y proporciona una coraza
de protección alrededor del material piezoeléctrico.
En la medida en que los diseñadores de productos tengan un mejor entendimiento
de las cualidades de los Materiales Inteligentes, sus aplicaciones habrán de incrementarse. En la actualidad, la aplicación y cualidades de estos materiales no forman parte de los
cursos de enseñanza regulares de entrenamiento de ingenieros. Esto es particularmente
cierto en México.
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Por otro lado, algunas de las áreas en las que existe un potencial inmediato para la
aplicación de materiales inteligentes son:
Carreteras inteligentes / ingeniería civil
El beneficio de construir un sistema de transporte inteligente tendrá un tremendo impacto
en la productividad. El principal objetivo en sistemas de automatización mediante el uso
de carreteras inteligentes es el mejoramiento de seguridad y reducción de accidentes de
tráfico.
Transductores / electrónica
Actualmente el crecimiento en el mercado de transductores ha sido rápido y se predice
que continuará a su actual paso. El mercado de sensores era de $5 mil millones de
dólares en 1990, y creció a $13 mil millones de dólares con un crecimiento anual del 8%
durante la siguiente década. Los sensores piezo-eléctricos y electro-restrictivos abarcan
una porción significativa del mercado de transductores fundamentalmente debido a la
producción automotriz, amortiguamiento de vibraciones activas y la generación de imágenes médicas.
Baterías / electrónica
Las baterías son la principal fuente de poder. Actualmente el mercado de las baterías
excede los $30 mil millones de dólares por año. Los rápidos avances tecnológicos y
miniaturización en electrónica han creado un incremento de la demanda por baterías
compactas e iluminación. Ejemplos de dispositivos portátiles son celulares, laptops,
computadoras y cámaras de video las cuales requieren baterías de alta densidad de
energía. El desarrollo de baterías de alta densidad de energía está siendo posible debido
al desarrollo de materiales inteligentes y procesos.
Actuadores electromecánicos / equipo quirúrgico
El desarrollo de actuadores electromagnéticos de precisión ha crecido de manera importante. La principal ventaja de estos actuadores es su alta precisión, en el orden de
los 10 nanómetros, rápida respuesta en el tiempo (10 μs) y alta fuerza regenerativa con
baja propulsión. Estas propiedades de los actuadores electromagnéticos hacen que
sean atractivos para sistemas ópticos, maquinaria de precisión y pequeños motores
de alta potencia.
8.2 Temas de investigación
Temas de investigación sobresalientes a nivel mundial:
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CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES
Tabla 8.1 Temas de investigación
El uso comercial de tecnología ultrasónica de imágenes
Transductores magnetorestrictivos en equipo industrial
Terminación magnetoreológica (MRF), tecnología de afinamiento de superficies
Sistemas de control de ruido en equipo industrial
Investigación de estructuras adaptables y compositos inteligentes
Fluidos magnetoreológicos (ERF), fluidos que cambian de viscosidad debido a una
carga eléctrica
Fuente: Elaboración propia.
En México, de acuerdo a datos del 2003, menos de 5 de los más de 500 proyectos que recibieron apoyo en la convocatoria de Ciencias Básicas de conacyt podrían
considerarse como asociados a materiales inteligentes. Entre las líneas de investigación
relacionadas que se reportan en la actualidad se encuentran:
• Desarrollo de Materiales Electro-cerámicos (Centro de Materiales Avanzados cimav)
• Caracterización de Bio-materiales (ipn)
Para el 2006, hubo un incremente ligero, pues se identificaron 5 proyectos de entre
los más de 500 apoyados a través de la convocatoria de Ciencias Básicas.
• Polímeros opto-electrónicos para aplicaciones en holografía dinámica,
comunicaciones ópticas, celdas fotovoltaicas ($1,750,000 para el Centro de
Investigaciones en Óptica)
• Sensores MEM para gasas ($335,000 Cinvestav)
• Materiales catalíticos inteligentes para reducción de Nox ($2,200,000 unam)
• Bio-materiales para remediación de aguas residuales ($1,300,000 uam)
• Polímeros inteligentes para el encapsulamiento y liberación de sustancias bio-activas
($1,140,00)
Se nota un interés por desarrollar materiales que permiten reducir la contaminación.
8.3 Tecnologías existentes
Las tecnologías asociadas con la ingeniería de superficies tiene diversas vertientes que
pueden agruparse en dos conjuntos. El primer grupo está asociado con la síntesis de
materiales, éste tiene como recurso principal los tratamientos termo-químicos asistidos
por plasmas. El depósito físico de vapores, el depósito químico de vapores, el “plasma
spray” y el plasma por arco, son ejemplos relevantes de este grupo de tecnologías. Es
importante destacar que este grupo de desarrollos sostienen sus procesos con base en
sistemas tecnológicos que requieren niveles de vacío importantes. En un segundo grupo
se tienen los tratamientos termoquímicos convencionales, tal es el caso de la reacción
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gas-sólido, o variantes de esta, las post-descargas, las cuales producen especies neutras pero excitadas en diversas configuraciones electrónicas, para estas tecnologías la
difusión de un elemento desde un gas hasta el sólido es el evento principal en el proceso.
Dentro de las tecnologías existentes encontramos:
Tabla 8.2 Temas de investigación
Recubrimientos dieléctricos de alta reflectividad y de carbono-boro-nitrógeno o a base
de cromo-platino
Rociados térmicos, nitruración, inmersiones térmicas, pulverización catódica
Piezo-cerámicos, piezo-eléctricos y piezo-resistivos
Polímeros biocompatibles y conductivos
Luminiscencia en fibras ópticas
Estructuras multicapa
Depósitos por láser pulsado y por transferencia inducida por láser de biomoléculas
Ligamentos artificiales con nanoestructuras bioactivas
Materiales cerámicos y magnetorestrictivos
Difracción de rayos gama
Electrodeposiciones
Fuente: Elaboración propia.
8.4 Tecnologías emergentes
Algunas de las tecnologías emergentes en la megatendencia son:
Tabla 8.3 Tecnologías emergentes
Capas mecano-luminiscentes
Deposiciones pacvd asistidas por plasma ecr
Descargas deb arco
Interacciones haz de láser-sólido
Implantaciones por plasma nanocomposite de compuestos metálicos
Nanotubos de arcilla
Vaporizaciones con láser
Fluidos magnetoreológicos
Fusiones de polímeros
Tecnologías híbridas
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Pistola de iones de cátodos hollow (hollow cathode ion gun)
pvd Industrial
Matrices viscoelásticas
Multicapas moleculares
Tratamientos termoquímicos por difusión
Inmersiones iónicas en plasma
Recubrimientos en capa McrALY, sonaspray o spray forming
Superficies hidrofóbicas
Metal dusting
Fibras con matrices poliméricas
Impregnaciones por vacío
High energy Electron Synchroton Resonance
Películas nano-estructuradas
Fuente: Elaboración propia.
Estados Unidos y el Reino Unido son los países líderes en investigación y uso de materiales inteligentes. Lo anterior debido al alto presupuesto destinado por sus respectivos
departamentos de defensa nacionales. Sin embargo, las aplicaciones van más allá del
desarrollo de sistemas dedicados con fines bélicos, las áreas de biomedicina y transporte terrestre y aéreo han sido campo fértil para el uso de estos materiales.
Estos materiales abren posibilidades tecnológicas que pueden ser aplicadas en la
generación de nuevos productos. Los materiales inteligentes fortalecen las tecnologías
emergentes que tienen como objetivo crear sensores y actuadores que simplifiquen mecanismos, incrementen la eficiencia energética y reduzcan el volumen en los productos
finales. Algunos ejemplos específicos de tecnologías emergentes se presentan a continuación.
a) Motor Ultrasónico: basado en el movimiento del rotor a base de vibraciones excitadas
en un estator por medio de efectos piezoeléctricos. La sincronización de las
pulsaciones generadas por los actuadores piezoeléctricos producen velocidades de
rotación ultrasónicas que pueden ser aplicadas en micro-maquinado con arranque de
viruta, tales como micro-fresado y micro-taladrado.
b) Polímeros estimulo-receptivos: la Universidad de Case Western Reserve con una
inversión de $335,000 dólares, está realizando investigación en polímeros estimuloreceptivos los cuales cambian mediante la aplicación de un estímulo externo como
cambios en su temperatura, fuerza iónica, ph, campos eléctricos y magnéticos o
mediante análisis químico o biológico. Las principales aplicaciones son películas
inteligentes en sensores, actuadores y dispositivos electro-ópticos.
c) Materiales magnéticos inteligentes para sensores: la Universidad de Sheffield con
un monto de €120,323 euros está realizando investigación en películas magnéticas
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ultra-delgadas, la investigación presenta la oportunidad de establecer cómo es que
diferentes técnicas de fabricación cambian las propiedades magnéticas y microestructuras de materiales inteligentes tales como las aleaciones FeCo y FeGa. Estos
tienen aplicación práctica en discos magnéticos y memorias de computadora.
d) Reducción retroalimentada de vibraciones mecánicas: mediante la aplicación
de actuadores eléctricos se puede reducir e inclusive cancelar las vibraciones
mecánicas de estructuras, tales como fuselajes de aviones. De esta manera, los
aviones que entren a la zona de resonancia durante su vuelo podrán cancelar las
vibraciones mecánicas que podrían generar inestabilidad durante su trayecto o
inclusive una falla catastrófica; esto mediante un panel compuesto por tecnología
basada en actuadores piezoeléctricos, conocido como panel de vibración
supersónico (Flutter).
e) Cancelación de ruido: el ruido es considerado una vibración acústica contaminante
en el ambiente, que se requiere reducir o cancelar en aplicaciones tales como salas
acústicas de grabación, cabinas interiores de aeronaves o áreas industriales con
procesos de producción estruendosos. En estos ejemplos como en otros casos,
las fuentes de ruido no pueden ser removidas y se requiere de sistemas activos de
reducción o cancelación de ruido. Es decir, sistemas que no solo aislen el ruido
sino que detecten su nivel actual y que por medios activos sean capaces generar
vibraciones acústicas para disminuir o cancelar el ruido ambiental. La tecnología
de generación de ondas sonoras mediante membranas excitadas con actuadores
piezoeléctricos ha demostrado gran potencial para la disminución y cancelación de
ruido con la posibilidad de aplicarse en áreas confinadas.
f) Control de amortiguamiento activo: la tecnología de amortiguamiento activo de
vibraciones basada en elastómeros y fluidos tiene grandes ventajas sobre los
sistemas de amortiguamiento pasivo aplicado en la industria del transporte terrestre
y aéreo. Los avances en el diseño de rotores de alta velocidad y bajo costo han
provocado que se genere en poco tiempo un desbalanceo dinámico en los vehículos
y naves. Este desbalanceo produce vibraciones que disminuyen la confortabilidad en
el interior de los medios de transporte. Así, los sistemas de amortiguamiento activo
se adaptan a las condiciones variables para disminuir el efecto de las vibraciones
mecánicas y por lo tanto incrementar la confortabilidad. Los sistemas activos de
amortiguamiento basados en elastómeros y fluidos magnetoreológicos además
de ser adaptivos a las condiciones variables de vibraciones, son compactos con
respecto a los sistemas convencionales.
g) Sistemas de administración de medicamentos: los avances de la investigación
biomédica han abierto campos potenciales de aplicación para polímeros
biocompatibles. A través de los polímeros inteligentes para administración de
sustancias, los desarrollos caen en dos categorías: regular externamente o sistemas
pulsantes y sistemas regulados.
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h) Impresión molecular: se están realizando investigaciones con el uso de polímeros
para impresión molecular en combinación con fibra óptica luminiscente para crear
sensores químicos altamente sensitivos. Este campo muestra promesas para el
mercado de biosensores sintéticos.
i) Visualización de la distribución de esfuerzos: la aplicación de recubrimientos
inteligentes junto con capas de material con propiedades de mecano-luminiscencia
para analizar esfuerzos dinámicos, no sólo da un nuevo método para una evaluación
no destructiva de materiales, sino que ha abierto una ventana en el desarrollo de
nuevos sistemas inteligentes y dispositivos opto-mecánicos. La función de estos
dispositivos es grabar en imágenes el esfuerzo aplicado en una capa luminiscente.
8.5 Productos y servicios
8.5.1 Lista de productos y servicios
Dentro de los productos y servicios generados por la megatendencia se encuentran dentro de las áreas de medicina e industria las siguientes:
Tabla 8.4 Tecnologías emergentes
Medicina
Recubrimientos de hidroxiapatita para prótesis médicas
Impresiones moleculares
Sistemas de administración de medicamentos
Biosensores
Fuente: Elaboración propia.
Tabla 8.5 Industria
Industria
Absorbentes acústicos para zonas abiertas
Arreglos de sensores en aeronaves
Capas adherentes para aparatos mecánicos, conductoras, semiconductoras y aislantes para circuitos y dispositivos
integrados
Barreras térmicas para turbinas aeronáuticas y de generación eléctrica
Baterías
Carreteras inteligentes
Circuitos y micro-estructuras
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Industria
Cabezas lectoras y dispositivos de almacenamiento de datos
Conductos de agua caliente aislados térmicamente
Empaques de alimentos y bebidas recubiertos para evitar la difusión de humedad y acción de la luz
Metalización de grifos y tuberías
Motores ultrasónicos para robótica
Pantallas de televisión y de computadoras
Protección de herramientas de corte de alta velocidad y contra la corrosión a alta temperatura
Recubrimientos decorativos sobre metales y plásticos y duros para piezas móviles del motor
Herramientas de visualización de la distribución de esfuerzos
Pisos inhibidores de desarrollo de microorganismos
Válvulas y llaves de paso recubiertas con níquel-teflón
Trenes de levitación magnética (MAGLEV)
Aluminizado de manijas, cerraduras.
Atenuación del ruido del fuselaje de un avión
Recubrimientos de llantas, manillas, espejos, ventanas, faros con materiales más resistentes a la luz, agua,
frotamiento, fricción
Control de amortiguamiento activo/pasivo en aeronaves y de vibraciones
Capacitores
Celdas electrovoltaicas
Componentes de automóviles metalizados
Cristales recubiertos con celulosa como aislante acústico
Pinturas de autos con mayor resistencia al agua y al sol
Paredes, pisos y muros con impenetrabilidad a polvo o microorganismos
Piezas aeroespaciales con aleación de aluminio
Dispositivos semiconductores
Plásticos resistentes al calor
Recubrimientos tribológicos para piezas móviles de bombas y compresores, sensores y prótesis
Recubrimientos anti-reflejante para lentes e instrumentos ópticos
Vidrios para ventanas con recubrimiento térmico y óptico
Transductores para sensores de vibraciones activas
Tubos para cañerías resistentes a la corrosión
Sensores de frenado para autos
Fuente: Elaboración propia.
8.5.2 Proyectos de inversión
Dentro de los principales proyectos se encuentran:
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CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES
a) Desarrollo de automóviles ligeros, a través de materiales que proporcionan gracias a
esta característica un mejor desempeño.
b) Desarrollo de lubricantes sólidos para la industria automotriz, estos recubrimientos
disminuyen notablemente la fricción
c) Desarrollo de herramientas de alto rendimiento, ya que los recubrimientos superduros
proporcionan una resistencia superior al desgaste
d) Desarrollo de turbinas de mayor eficiencia para la industria aeronáutica: los
recubrimientos de barreras térmicas permiten una mayor temperatura de operación
en las turbinas aumentando su eficiencia.
e) Desarrollo de materiales biocompatibles para la industria médica
f) Desarrollo de dispositivos para almacenamiento de datos en la industria de la
electrónica, ya que los depósitos de materiales especiales permiten obtener una
mayor capacidad de almacenamiento de datos.
g) Empaques en la industria alimenticia, con capacidad de respuesta ante fechas de
caducidad, apertura del empaque y no toxicidad.
h) Desarrollo de nuevos materiales para maquinaria diesel de alto rendimiento
i) En la arquitectura, desarrollo de recubrimientos estéticos y con propiedades ópticas
específicas que aumenten la funcionalidad de los diseños.
j) Desarrollo de materiales cerámicos e innovación de compuestos: El centro para
materiales avanzados y estructuras inteligentes de la Universidad de Norte de Carolina,
está invirtiendo $3,871,172 dólares en realizar investigación en el desarrollo de materiales
cerámicos, con aplicaciones en componentes estructurales, energía, barreras térmicas
(aislantes), componentes electrónicos, sensores.
Los materiales cerámicos estructurales pueden ser utilizados en aplicaciones de altas
temperaturas, los materiales cerámicos inteligentes y parches piezo-cerámicos, además,
pueden sujetarse a las superficies externas de estructuras o ser directamente implantados
en el material para obtener mediciones del comportamiento estructural. El mercado
mundial de estos materiales es de $8.6 miles de millones de dólares por año.
k) Sensores electromagnéticos inteligentes para identificación de daños en estructuras y
materiales: La Universidad de Dartmouth está invirtiendo $271,835 dólares en mejorar el
desempeño de sensores electromagnéticos incrementando la sensibilidad en el control
por medio de materiales inteligentes “Magnetostrictive”, el cual explota la relación entre la
ganancia de control con retroalimentación y los parámetros que caracterizan el sistema
de la geometría del daño. Estos sensores pueden usarse para detectar fallas en sistemas
mecánicos y civiles, así como en el seguimiento de desperfectos crecientes bajo cargas
aleatorias. El mercado global para el desarrollo de sensores fue de $5.7 miles de millones
de dólares en el 2006 y se estima que crecerá a $9.4 miles de millones de dólares para el
2012 con una tasa de crecimiento anual del 6.4%.
l) Sensores para glucosa (industria biomédica): Los sensores biomédicos están basados
en el rápido avance en películas químicas delgadas, tejidos finos e ingeniería celular. Es
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CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES
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previsible que los sensores biológicos puedan ser hechos usando enzimas complejas
o reacciones celulares. Se vislumbra la aplicación de polímeros inteligentes en estos
dispositivos en el lazo de retroalimentación, ya sea trasmitiendo una señal o respondiendo
directamente a la anormalidad, por ejemplo en combinación con depósitos de drogas.
Algunos de los desafíos para el desarrollo de materiales para sensores biomédicos
incluyen mejoras en biocompatibilidad, tiempo de vida del sensor, minimizar las señales,
maximizar la sensibilidad, desarrollo de la capacidad para ajustar los sensores en vivo
y utilizar materiales que sean estériles o esterilizables. En la actualidad el monitoreo de
glucosa en la sangre en los Estados Unidos asciende aproximadamente a $750 millones
por año y crece a una tasa de 10% por año. Actualmente se están desarrollando sistemas
para liberar enzimas sensibles a la glucosa utilizando materiales inteligentes. El uso de
estos materiales permite entonces el monitoreo y la administración de medicamento.
Una aplicación importante para generar este tipo de biomateriales es para eliminar
el cáncer. Debido a que el cáncer es una de las principales enfermedades en el mundo.
Varias terapias tales como radioactivas y quimioterapia han sido desarrolladas para eliminar el cáncer o tumores. Sin embargo el tratamiento por sí mismo es peligroso para
los pacientes debido a que los productos químicos para la quimioterapia son bastante
tóxicos. Por lo que la Universidad de Keele está invirtiendo €207,072 anuales en investigaciones para desarrollar pequeñas nano-cápsulas que puedan contener agentes anticáncer, estas cápsulas incluyen nano-partículas magnéticas que puedan mover la célula
con cáncer o tumor mediante un magneto externo.
Como puede observarse, las aplicaciones que han recibido mayor atención se encuentran en industrias en las que el desempeño funcional es de suma importancia: Aeroespacial y Biomedicina. Se menciona una aplicación emergente: monitoreo y control
de daños en estructuras. A nivel de tecnología, los dispositivos que mayor uso hacen
de los materiales inteligentes son los sensores y actuadores, que ven su desempeño
mejorado. En el caso de instrumentos quirúrgicos, las propiedades químicas de estos
materiales han permitido el incremento en el uso de estos materiales.
8.6 Taxonomía
Tabla 8.6 Taxonomía
Área de aplicación
Área de aplicación
específica
Tecnología
Productos y servicios
Medicina
Biomateriales
Depósitos por láser pulsado
Recubrimientos de
hidroxiapatita para prótesis
médicas
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del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey a cualquier persona y/o actividad que sean ajenas al mismo.
LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS
132
CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES
Área de aplicación
Área de aplicación
específica
Tecnología
Depósitos por transferencia
inducida por láser de
biomoléculas
Descargas deb arco
Medicina
Biomateriales
Polímeros
Luminiscencia en fibra óptica
Electrodeposición
Materiales magnéticos
Estructuras multicapa
Sistemas de administración de
medicamentos
Impresión molecular
Capas conductoras,
semiconductoras y aislantes
para circuitos y dispositivos
integrados
Cabezas lectoras y dispositivos
de almacenamiento de datos
Recubrimientos dieléctricos
de alta reflectividad
Celdas electrovoltaicas
Inmersión iónica en plasma
Interacción haz de láser-sólido
Pantallas de televisión y de
computadoras
Piezoeléctricos
Baterías
Impregnación por vacío
Piezoeléctricos
Industria
Biosensores
Vaporización con láser
Polímeros biocompatibles
Microelectrónica y
semiconductores
Productos y servicios
Capacitores
Circuitos y micro-estructuras
Ligamento artificial con
nanoestructura bioactiva
Dispositivos semiconductores
Polímeros conductivos
Arreglo de sensores en
aeronaves
Piezoresistivos
Sensores de frenado para
autos
Transductores para sensores
de vibraciones activas
Productos de consumo
Piezoeléctricos
Motor ultrasónico para
robótica
Electrodeposición
Recubrimientos decorativos
sobre metales y plásticos
Rociado térmico
Pisos inhibidores de desarrollo
de microorganismos
Paredes, pisos y muros con
impenetrabilidad a polvo o
microorganismos
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CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES
Área de aplicación
Área de aplicación
específica
Productos de consumo
Tecnología
Productos y servicios
Materiales cerámicos
Vidrios para ventanas con
recubrimiento térmico y óptico
Rociado térmico
Cristales recubiertos con
celulosa como aislante
acústico
Recubrimiento (sonaspray)
Absorbentes acústicos para
zonas abiertas
Multicapas moleculares
Recubrimientos anti-reflejante
para lentes e instrumentos
ópticos
Fusión de polímeros
Empaques de alimentos y
bebidas recubiertos para evitar
la difusión de humedad y
acción de la luz
Materiales magnetoestrictivos
Carreteras inteligentes
Piezocerámicos monolíticos
Matrices viscoelásticas
Ingeniería y Metalurgia
Industria
Atenuación del ruido del
fuselaje de un avión
Fibras con matriz polimérica
Piezoeléctricos
Control de vibraciones
Fluidos magnetoreológicos
Control de amortiguamiento
activo/pasivo en aeronaves
Capas mecano-luminiscentes
Visualización de la distribución
de esfuerzos
Spray forming
Piezas aeroespaciales con
aleación de aluminio
Nanotubos de arcilla
Plásticos resistentes al calor
Recubrimientos en capa
McrALI
Aplicaciones cerámicas
133
Recubrimientos a base de
cromo-platino
Barreras térmicas para turbinas
aeronáuticas y de generación
eléctrica
Materiales cerámicos
Materiales cerámicos
Conductos de agua caliente
aislados térmicamente
Metal dusting
Protección contra la corrosión
a alta temperatura
Rociado térmico
Recubrimiento de llantas,
manillas, espejos, ventanas,
faros con materiales más
resistentes a la luz, agua,
frotamiento, fricción
Superficies / catálisis
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CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES
Área de aplicación
Área de aplicación
específica
Superficies / catálisis
Tecnología
Productos y servicios
Superficies hidrofóbicas
Pintura de autos con mayor
resistencia al agua y al sol
Niquelado químico
Válvulas y llaves de paso
recubiertas con niquel-teflon
Electrodeposición
Metalización de grifos y
tuberías
Inmersión térmica
Aluminizado de manijas,
cerraduras.
Difracción de rayos gama
Tratamiento termoquímico por
difusión
Tubos para cañerías resistentes
a la corrosión
Rociado térmico
Recubrimiento de carbonoboro-nitrógeno
Protección de herramientas de
corte de alta velocidad
Pulverización catódica
Industria
Electrodeposición
Componentes de automóviles
metalizados
Estructuras multicapa
Tribología (desgaste y
fricción)
Implantación por plasma
nanocomposite de
compuestos metálicos
Electrodeposición
Nitruración
Recubrimientos duros para
piezas móviles del motor
Recubrimientos tribológicos
para piezas móviles de
bombas y compresores,
sensores y prótesis
mems
Recubrimientos tribológicos
para piezas móviles de
bombas y compresores,
sensores y prótesis
Deposición pacvd asistida por
plasma ecr
Capas adherentes para
aparatos mecánicos
Piezoeléctricos
Fuente: Elaboración propia.
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