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El descubrimiento del Columbio, perdón… del Niobio.

El 26 de noviembre de 1801, el químico británico Charles Hatchett (Londres, 2 de enero de 1765 – idem, 10 de marzo de 1847) , anuncia en la Royal Society en Londres, el descubrimiento de un nuevo elemento, el columbio.
niobio5El niobio (o columbio) es un elemento químico de número atómico 41 situado en el grupo 5 de la tabla periódica de los elementos. Se simboliza como Nb.
Es un metal de transición dúctil, gris, blando y poco abundante. Se encuentra en el mineral niobita, también llamado columbita, y se utiliza en aleaciones.
En 1801 mientras trabajaba para el Museo Británico en Londres, Hatchett analizó una pieza de columbita perteneciente a la colección del museo y que había sido enviada por John Winthrop, gobernador de Connecticut.. La Columbita resultó ser un mineral muy complejo, y Hachett descubrió que contenía una “nueva tierra”, que implicaba la existencia de un nuevo elemento
En 1809, el químico William Hyde Wollaston inglés creyó que el tántalo y el columbio eran idénticos (de hecho son dfíciles de distinguir y sus propiedades son muy similares). En 1846 el químico alemán Heinrich Rose demostró que los minerales de tántalo contienen dos elementos. Al segundo de ellos lo nombró niobio en honor a Niobe, la huja de Tántalo en la mitología griega. Entre 1864 y 1865,se demostró que el niobio y columbio eran el mismo elemento (a diferencia del tantalio), y desde hace un siglo se utilizaron ambos nombres indistintamente.
Hatchett sabía que existía el niobio, pero fue incapaz de aislarlo. Blomstrand lo preparó por primera vez en 1864 por reducción: calentando el cloruro en atmósfera de hidrógeno.
niobio4El nombre de niobio se adoptó por la IUPAC en 1950, pero el nombre de columbio sigue siendo de uso corriente en los paises anglosajones en la metalurgia en los Estados Unidos.
El niobio es un metal gris, dúctil, y paramagnético que se encuentra en el grupo 5 de la Tabla Periódica. Su peso atómico es 92.906 .
Tiene un isótopo natural el 93-Nb y treinta y dos inestables, uno de ellos con un período de semidesintegración de 3,47×107 años (92-Nb); el resto de los inestables tiene un período de semidesintegración que oscila entre 0,17 segundos (110-Nb) y 20300 años (94-Nb). El modo de desintegración principal de los isótopos más ligeros que el estable Nb-93 es la captura electrónica y de los más pesados que el estable la emisión beta y, en el caso de los isótopos Nb-104, 109 y 110, también la emisión neutrónica.
Se estima que el niobio es el 33 º elemento más común en la superficie de la Tierra, con 20 ppm lo que representa el 2·10-3% en peso de la corteza terrestre.
El elemento no se encuentra libre en la naturaleza , pero el niobio se produce en combinación con otros elementos minerales. Los minerales que contienen niobio a menudo también contienen tántalo. Los ejemplos incluyen la columbita ( (Fe , Mn ) ( Nb, Ta) 2O6 ) y columbita – tantalita (coltan o , (Fe , Mn ) ( Ta, Nb) 2O6 ).
La obtención del metal implica una primera etapa de separación del tántalo mediante disolventes y la transformación en Nb2O5. Éste se reduce en dos etapas con carbón; en la primera, a 800 °C, se forma NbC, que en la segunda, a 2000 °C, actúa como reductor del óxido y se produce el metal.
niobioEl niobio se convierte en un superconductor a temperaturas criogénicas. A presión atmosférica, que tiene la temperatura crítica más alta de los superconductores elementales, el niobio tiene mayor profundidad de penetración magnética que cualquier elemento. Además, es uno de los superconductores de tipo tres elemental II, junto con vanadio y tecnecio.
Las propiedades superconductoras son fuertemente dependientes de la pureza del niobio metal. Cuando es muy puro, es relativamente más blando y dúctil, pero las impurezas hacen que sea más duro. El metal tiene una baja sección transversal para los neutrones térmicos; por lo que se utiliza en las industrias nucleares.
El metal adquiere un tinte azulado cuando se expone al aire a temperatura ambiente durante largos períodos de tiempo. A pesar de presentar un alto punto de fusión, en forma elemental (2468 °C), tiene una baja densidad en comparación con otros metales refractarios. Además, es resistente a la corrosión, presenta propiedades de superconductividad, y forma capas de óxido dieléctrico.
Es insoluble en ácidos e incluso en agua regia.Es muy inerte a todos los ácidos, menos el fluorhídrico. El niobio metálico se oxida lentamente en solución alcalina. Reacciona con el oxígeno y los halógenos en caliente para formar los halogenuros y el óxido en estado de oxidación V, con nitrógeno para formar NbN y con carbono para formar NbC, así como con otros elementos como arsénico, antimonio, teluro y selenio.
La mayor parte del niobio se usa en aceros inoxidables especiales, en aleaciones de alta temperatura y en aleaciones superconductoras como Nb3Sn.
En soldadura se emplea el niobio para ligar los componentes de acero inoxidable. Los fabricantes de acero agregan pequeñas cantidades de un compuesto de niobio-hierro conocido como ferroniobio para aumentar la fortaleza de sus productos, así como la resistencia a las temperaturas y a la corrosión. El acero combinado con niobio es utilizado en las industrias aeroespacial (se emplea en la construcción de sistemas de distribución de aire de cápsulas espaciales), química, de energía eléctrica y automotriz.
niobio3Existen aleaciones superconductoras de estanio-niobio y aluminio-niobio. Los metales encuentran su uso en giroscopios para navegación aeroespacial, así como para artefactos de imágenes por resonancia magnética.
En aleación con titanio, se puede extrusionar el niobio en un alambre superconductor que luego se puede moldear para formar imanes que no pierden la superconductividad al ser colocados en campos magnéticos externos. Se utiliza como capa protectora para condensadores cerámicos.
Algunos aceleradores de partículas incluyen cámaras moldeadas de niobio puro o aleado. Cuando se enfrían a una temperatura cercana al cero absoluto, estas cámaras de niobio se vuelven altamente magnéticas y superconductoras, lo cual permite aumentar la velocidad de las partículas subatómicas.
También se utiliza en pilas nucleares recubriendo las barras de combustible nuclear.

 

 

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El inventor del policloruro de vinilo (PVC); Lonsbury Semon.

El 10 de septiembre de 1898, nacía el químico estadounidense Waldo Lonsbury Semon (10 de septiembre 1898- 26 de mayo de 1999).

semonSemon asistió a clase en Washington y Oregon y estudió química en la Universidad de Washington en Seattle, donde obtuvo un puesto como profesor interino en 1923 después de obtener su doctorado.

En 1923 ingresó en la compañía química BF Goodrich en Akron, Ohio. Su primer objetivo fue el de conseguir un sustituto al caucho natural debido a la inestabilidad de su precio en el mercado y la alta demanda del mismo, producida principalmente por la expansión del automóvil.

En 1926, encontró la fórmula del PVC mediante la mezcla de polímeros sintéticos, y el resultado fue una sustancia que era elástica, pero que no era adhesiva como inicialmente pretendía. Semon trabajó en métodos de mejora del caucho, y finalmente desarrolló un sustituto sintético del mismo. Goodrich comenzó a comercializar su línea Koroseal de compuestos de PVC en la década de 1930. Semon realizó más de 5.000 compuestos de caucho sintético, alcanzando el éxito con Ameripol (American polímero) en 1940 para la compañia BF Goodrich.

Aunque había sido descubierto con anterioridad, la patente del PVC le fue concedida a Waldo L. Semon, el 10 de octubre de 1933, para un método de fabricación de PVC plastificado, ahora conocido simplemente como vinilo. La patente se titulaba “Synthetic Rubber-like Composition and Method of Making Same (Composición similar al caucho sintético y método de hacer el mismo) (U.S. No. 1,929,453). Los primeros productos de vinilo producidos desde 1938 fueron pelotas de golf, zapatos de tacón y cortinas de baño.

Fue galardonado con la Medalla Charles Goodyear en 1944 y la Medalla Cresson Elliott en 1964 .

En total, Semon coincibió116 patentes , y fue incluido en el Salón de la Fama de la invención en 1995 a los 97 años.

El policloruro de vinilo (PVC) (C2H3Cl)n es el producto de la polimerización del monómero de cloruro de vinilo. Es el derivado del plástico más versátil. Este se puede producir mediante cuatro procesos diferentes: Suspensión, emulsión, masa y solución.

semon2Es un polímero obtenido de dos materias primas naturales cloruro de sodio o sal común (ClNa) (57%) del que se extrae el cloro necesario y petróleo o gas natural (43%), siendo por lo tanto menos dependiente de recursos no renovables que otros plásticos.

Entres sus características, destacan:

  • Rango de temperatura de trabajo -15ºC +60ºC.
  • Resistencia, rigidez y dureza mecánicas elevadas
  • Buen aislante eléctrico
  • Elevada resistencia a sustancias químicas
  • Impermeable a gases y líquidos
  • Mínima absorción de agua
  • Fácil de pegar y soldar
  • Resistente a la intemperie (sol, lluvia, viento y aire marino);

El cloruro de vinilo en su forma de monómero, fue realmente descubierto por Henri Victor Regnault en 1835 y en 1872 por Eugen Baumann independientemente.

Regnault produjo cloruro de vinilo cuando trataba dicloroetano con una solución alcohólica de hidróxido de potasio. También descubrió, accidentalmente, el poli(cloruro de vinilo), por medio de la exposición directa del monómero a la luz del día. Sin embargo, no advirtió la importancia de sus descubrimientos, ni comprendió que el polvo blanco contenido en el vaso de precipitados de vidrio, era el polímero del líquido obtenido al comienzo. Baumann tuvo éxito en 1872, al polimerizar varios haluros de vinilo y fue el primero en obtener algunos de estos en la forma de producto plástico.

Ostrominlensky estableció en 1912 las condiciones para la polimerización del cloruro de vinilo y, desarrolló técnicas convenientes en escala de laboratorio. Klatte de Grieskein descubrió en 1918 los procesos que aún se emplean en la actualidad para la producción de cloruro de vinilo a través de la reacción en estado gaseoso, del cloruro de hidrógeno y del acetileno, en presencia de catalizadores.

Según el Vinyl Institute “como todos los materiales plásticos,el vinilo está hecho de una serie de etapas de procesamiento que convierte materias primas (petróleo, gas natural o carbón) en únicos productos sintéticos denominados polímeros “.

El cloruro de vinilo y sus polímeros han sido curiosidades de laboratorio hasta hace 40 años, cuando se inició una labor de investigación más profunda y dirigida tanto en Alemania, como en Estados Unidos y Rusia.

Semon de la B. F. Goodrich Company, y Reid de la Carbide and Chemical Carbon Company, obtuvieron patentes para la producción de PVC que pueden ser considerados como los puntos de partida para la producción industrial de este material.

semon3El vinilo es el segundo plástico más producido en el mundo. Hoy en día, cientos de productos están hechos de vinilo, tales como: cortinas de baño, impermeables, cables, electrodomésticos, suelos, pinturas y recubrimientos superficiales.

Ese éxito comercial se ha debido principalmente al desarrollo de estabilizantes adecuados y de otros aditivos que han hecho posible la producción de compuestos termoplásticos de gran utilidad.Los estabilizantes térmicos se añaden al PVC puro para dotarlo de una alta resistencia y durabilidad frente a las altas temperaturas a las que se somete el material durante el proceso de extrusión de los perfiles.

El desarrollo de un PVC de Alto Impacto constituye uno de los descubrimientos de mayor importancia en la segunda mitad del siglo XX, en relación con este material.

Macromoléculas y polímeros; Staudinger.

El 8 de septiembre de 1965, fallecía el químico alemán Hermann Staudinger (Worms, 23 de marzo de 1881 – Friburgo, 8 de septiembre de 1965).

staundingerFue galardonado en 1953 con el Premio Nobel de Química “por sus descubrimientos en el campo de la química macromolecular”.

Estudió química en la Universidad de Halle, donde se doctoró en 1903. Asimismo estudió en las Universidades de Darmstadt y Munich. En 1907 fue nombrado profesor de química en la Universidad de Estrasburgo ( donde ejerció como ayudante del profesor Thiele). , para pasar posteriormente por la Escuela Superior Técnica de Karlsruhe en 1908, dar clases en la Escuela Superior Técnica Eidgenössische de Zúrich, y en la de Friburgo de Brisgovia en 1926. Desde 1940 fue, además, investigador principal del Instituto de Química Macromolecular.

Sus primeros trabajos están referidos a la química orgánica clásica, descubriendo un nuevo grupo, las cetonas (un compuesto orgánico de la forma R2C=C=O), y realizando trabajos sobre los agentes aromáticos del café.

Estudió la síntesis de diversos constituyentes de la pimienta y los insecticidas.

Elaboró la denominada reacción de Staudinger o reducción de  Staudinger que es una reacción química en la cual una azida se combina con una fosfina o un fosfito para producir un intermediario iminofosforano. Si la reacción se combina con la hidrólisis de un aza-iluro se produce un óxido de fosfina y una amina, con desprendimiento de nitrógeno gaseoso. Este método se puede utilizar para sintetizar aminas primarias.

En mayo de 1922 publica un artículo en la revista Helvetica Chimica Acta donde acuña el término macromolécula (Makromoleküle) sentando las bases de la polimerización  (Staudinger, H.; Fritschi, J. (1922). “Über Isopren und Kautschuk. 5. Mitteilung. Über die Hydrierung des Kautschuks und über seine Konstitution”. Helvetica Chimica Acta 5 (5): 785).

Las macromoléculas son moléculas que tienen una masa molecular elevada, formadas por un gran número de átomos. Generalmente se pueden describir como la repetición de una o unas pocas unidades mínimas o monómeros, formando los polímeros.

staundinger2El término macromolécula se refiere a las moléculas que pesan más de 10.000 dalton de masa atómica. Pueden ser tanto orgánicas como inorgánicas, y algunas de gran relevancia se encuentran en el campo de la bioquímica, al estudiar las biomoléculas. Dentro de las moléculas orgánicas sintéticas se encuentran los plásticos.

En 1926 expone su hipótesis de que un polímero es una larga cadena de unidades pequeñas unidas por enlaces covalentes. Su proposición sería el inicio de una revolución en la química industrial. Antes de las investigaciones de Staundinger, los científicos creían que los polímeros eran grupos de moléculas llamadas coloides, sin masa molecular definida sostenidas juntas por alguna fuerza desconocida.

Los polímeros (del griego poly: «muchos» y mero: «parte», «segmento») son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros. En química orgánica, la reacción por la cual se sintetiza un polímero a partir de sus monómeros se denomina polimerización. Según el mecanismo por el cual se produce la reacción de polimerización para dar lugar al polímero, esta se clasifica como “polimerización por pasos” o como “polimerización en cadena”.

Staudinger propuso las fórmulas estructurales del poliestireno y del polioximetileno, tal como las conocemos actualmente, como cadenas moleculares gigantes, formadas por la asociación mediante enlace covalente de ciertos grupos atómicos llamados “unidades estructurales”.

Este concepto se convirtió en “fundamento” de la química macromolecular solo a partir de 1928 cuando Kurt Meyer y Hermann Francis Mark observaron la estructura cristalina de los polímeros mediante técnicas de difracción de rayos X al estudiar la celulosa.

En 1935, Staudinger comenzó a investigar sobre los polímeros y sus soluciones en poliésteres, con lo que pudo aportar nuevos hallazgos sobre la relación que vincula la viscosidad y el peso molecular.

En 1884, Hilaire de Chardonnet creó la primera planta artificial basada en celulosa regenerada, o rayón viscoso, como un sustituto de la seda, pero era muy inflamable.

En 1907, Leo Baekeland creó el primer polímero sintético, un polímero termoestable hecho con fenol-formaldehído, conocido como Baquelita.  El celofán fue inventado en 1908 por Jocques Brandenberger, quién bañó a las hojas de rayón viscoso en ácido.

staudinger2

Wallace Carothers inventó el primer caucho sintético llamado neopreno en 1931, al igual que el primer poliéster, el nailon en 1935, como sustituto de la seda. Stephanie Kwolek desarrolló la Aramid, o un nailon aromático llamado Kevlar, que fue patentado en 1966.

Staudinger fue miembro honorífico del Instituto de Francia y de la Sociedad de Química Macromolecular de Tokio. Recibió el premio Leblanc (1931) y el premio Cannizaro, que le fue otorgado en 1933 por la Reale Accademia Nazionale dei Lincei, de Roma.

¿El material del futuro?. El grafeno; Novosiólov.

El 23 de agosto de 1974, nacía el físico ruso-británico Konstantín Serguéievich Novosiólov (Nizhny Tagil, URSS, 23 de agosto de 1974).

NovoselovRecibió el Premio Nobel de Física en 2010 por el descubrimiento del grafeno compartido con Andréy Gueim,

Además fue galardonado con el  Premio Europeo de Física en 2008, “por descubrir y aislar libremente una capa atómica de carbono (grafeno) y describir sus notables propiedades eléctricas.”

Estudió su carrera de física en Rusia. Novoselov trabajó por primera vez con como estudiante de doctorado de Geim en los Países Bajos. Posteriormente le siguió al Reino Unido. Ahora es profesor de la Universidad de Manchester.

Es miembro del grupo de trabajo de mesoscópica de la Universidad de Mánchester como investigador de la Royal Society.

Ha publicado más de 60 trabajos de investigación en temas como superconductividad (Efecto Hall), movimientos sub-atómicos de las paredes de dominio magnético, de la invención de la Cinta de Geco, y el grafeno.

El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en patrón regular hexagonal, similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor. Es muy ligero: una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan sólo 0,77 miligramos. Se considera 200 veces más fuerte que el acero y su densidad es aproximadamente la misma que la de la fibra de carbono, y es aproximadamente cinco veces más ligero que el acero.

Es un alótropo del carbono, un teselado hexagonal plano formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se generan a partir de la superposición de los híbridos sp2 de los carbonos enlazados.

Mediante la hibridación sp2 se explican mejor los ángulos de enlace, a 120°, de la estructura hexagonal del grafeno. Como cada uno de los carbonos contiene cuatro electrones de valencia en el estado hibridado, tres de esos electrones se alojan en los híbridos sp2, y forman el esqueleto de enlaces covalentes simples de la estructura.

Novoselov2El electrón sobrante se aloja en un orbital atómico tipo P perpendicular al plano de los híbridos. El solapamiento lateral de dichos orbitales da lugar a formación de orbitales de tipo π. Algunas de estas combinaciones propician un gigantesco orbital molecular deslocalizado entre todos los átomos de carbono que constituyen la capa de grafeno.

En el grafeno la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 142 pm (picómetros). Es el componente estructural básico de todos los demás elementos grafíticos, incluidos el propio grafito, los nanotubos de carbono y los fullerenos.

Geim y Novoselov extrajeron el grafeno de un trozo de grafito. Utilizaron una especie de cinta adhesiva que les permitió extraer del grafito una lámina de un solo átomo de carbono. Muchos científicos creían entonces que era imposible que una lámina de un solo átomo de grosor cualquier material era imposible de fabricar porque era inestable.
El grafeno se conoce y se ha descrito desde hace más de medio siglo. El enlace químico y su estructura se describieron durante el decenio de 1930. Philip Russell Wallace calculó por primera vez (en 1949) la estructura electrónica de bandas. Al grafeno se le prestó poca atención durante décadas al pensarse que era un material inestable termodinámicamente ya que se pensaba que las fluctuaciones térmicas destruirían el orden del cristal dando lugar a que el cristal 2D se fundiese. Bajo este prisma se entiende la revolución que significó que Gueim y Novosiólov consiguiesen aislar el grafeno a temperatura ambiente. La palabra grafeno se adoptó oficialmente en 1994, después de haber sido designada de manera indistinta –en el campo de la ciencia de superficies– «monocapa de grafito».

Además, muchas nanoestructuras recientemente descubiertas, como los nanotubos de carbono, están relacionadas con el grafeno. Tradicionalmente, a estos nanotubos se les ha descrito como «hojas de grafeno enrolladas sobre sí mismas». De hecho las propiedades de los nanotubos de carbono se explican y entienden fácilmente a partir de las inherentes al grafeno. Se ha descrito también la preparación de nanotiras de grafeno mediante nanolitografía, haciendo uso de un microscopio de efecto túnel.

El grafeno es de los materiales más duros y fuertes existentes, incluso supera la dureza del diamante y es 200 veces más resistente que el acero. Es altamente rígido, de hecho, tiene un módulo de Young de 1 TPa. Por lo tanto soporta grandes fuerzas sin apenas deformarse. Se trata de un material ligero con una densidad de tan sólo 0,77 miligramos por metro cuadrado (densidad indicada en unidades de superficie como causa de su estructura laminar).

Novoselov4Las propiedades del grafeno son ideales para utilizarlo como componente de circuitos integrados. Está dotado de alta movilidad de portadores, así como de bajo nivel de «ruido». Ello permite que se le utilice como canal en transistores de efecto campo (FET). La dificultad de utilizar grafeno estriba en la producción del mismo material en el sustrato adecuado. Investigadores están indagando métodos tales como transferencia de hojas de grafeno desde grafito (exfoliación) o crecimiento epitaxial (como la grafitización térmica de la superficie del carburo de silicio: SiC).

Uno de los campos donde este material parece ser más prometedor es en la industria de semiconductores. Este sector tiene la intención de construir computadoras mucho más rápidas que las de hoy en día gracias a la implementación de transistores de grafeno en los microprocesadores. Pero el principal problema en la construcción de microprocesadores es la presión debido a que los materiales usados para fabricar los transistores no sólo deben tener excelentes propiedades eléctricas, sino que también deben ser capaces de soportar la tensión a la que se ven sometidos durante el proceso de fabricación y al calentamiento generado por las tareas repetitivas que desempeñan.

El uso más inmediato puede ser en materiales compuestos pues se ha demostrado que el polvo de grafeno se puede producir en masa, lo que permitiría desarrollar plásticos conductores con rellenos de menos de 1 % en volumen.
Otra posibilidad atractiva es el uso de polvo de grafeno en las baterías eléctricas que son en la actualidad el principal mercado para el grafito.

Una mejor relación superficie/volumen y la elevada conductividad pueden mejorar la eficiencia de las pilas reemplazando las nano fibras de carbono que se usan en las baterías modernas.

Novoselov3Las aplicaciones más nuevas del grafeno se relacionan con su transparencia y su alta conductividad para su uso para electrodos en pantallas planas y celdas solares. Actualmente, por su transparencia, el óxido de indio es el material usado en tales electrodos, pero presenta el problema de que es muy escaso en el planeta, por tanto las investigaciones buscan nuevos materiales con excelentes propiedades conductivas y que puedan ser aplicados en optoelectrónica.

Otro material que puede resultar revolucionario es el grafino.

El grafino es una forma alotrópica del carbono. Su estructura es de láminas planas de un átomo de espesor, unidos de manera de hibridaciones sp y sp2, dispuestos en la red cristalina. Se puede ver como un entramado de benceno anillos conectados por enlaces acetileno.

Dependiendo del contenido de los grupos de acetileno, el grafino puede considerarse una hibridación mixta, SP n, donde 1 <n <2, y por lo tanto difiere de la hibridación de grafeno (considerado puro sp 2) y diamante (puro sp 3). La existencia de grafino se ha conjeturado hace más de 50 años , pero ha llamado la atención después del descubrimiento de los fullerenos.   Aunque todavía no está sintetizada, estructuras periódicas de grafino y sus análogos de nitruro de boro, se mostró a ser estables.

La revolución de los materiales “plásticos”. Los polímeros conductores; Shirakawa.

El 20 de agosto de 1936, nacía el químico y profesor universitario japonés Hideki Shirakawa (Tokio, Japón, 20 de agosto de 1936).

shirakawaEn el año 2000 recibió el premio Nobel de Química, galardón que compartió con sus compañeros de investigación Alan J. Heeger y Alan G. MacDiarmid, por el descubrimiento y desarrollo de los polímeros conductores.

Los polímeros (del griego poly: «muchos» y mero: «parte», «segmento») son macromoléculas (generalmenteorgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros.

Los plásticos son sustancias químicas sintéticas denominadas polímeros, de estructura macromolecular que puede ser moldeada mediante calor o presión y cuyo componente principal es el carbono. Estos polímeros son grandes agrupaciones de monómeros unidos mediante un proceso químico llamado polimerización.

La mayoría de polímeros orgánicos producidos son excelentes aisladores eléctricos.

Shirakawa se graduó en 1961 en el Instituto de Tokio de la tecnología (TITech), del departamento de la ingeniería química en la escuela de la ciencia y de la ingeniería. Luego en 1966 recibió doctorado del departamento de la ingeniería química en la escuela graduada de la ciencia y de la ingeniería en TITech.

Obtuvo el puesto de ayudante en laboratorio químico de los recursos en TITech. Se convirtió en Investigador Post-doctoral en 1976 en la universidad de Pennsylvania, E.E.U.U. con la invitación de Alan Mac Diarmid.

Sus investigaciones en el campo de los campos de los polímeros, especialmente del acetileno, le llevaron al descubrimiento, cuando ocupaba la plaza de investigador asociado en el laboratorio de Química del Instituto Tecnológico de Tokio, de las propiedades conductoras de este material al ser contaminado con trazas de otras sustancias.

Demostró que dopando una película de poliacetileno (en este caso, oxidándola con vapor de yodo), su conductividad eléctrica aumentaba un millar de veces, comparable a la de los metales como el cobre y la plata. Las propiedades ópticas de los materiales también eran modificadas, ya que emitían luz.
shirakawaEn las largas cadenas de carbono que forman el poliacetileno sintetizado por Shirakawa en 1975, a partir de moléculas de acetileno, cada átomo de carbono portaba un electrón libre que permitía establecer una conducción de tipo metálico; aunque, debido a la distorsión espontánea que sufría la cadena polimérica para alcanzar la forma más estable, se trataba más bien de una semiconducción.

Posteriormente, se vio que la oxidación del poliacetileno con vapor de yodo aumentaba enormemente la conductividad de este polímero. Estos descubrimientos, en colaboración con los otros dos galardonados, supusieron un hito en el desarrollo tecnológico, al tratarse de materiales con múltiples aplicaciones prácticas y, a la vez, muy económicos y de sencilla producción.
Los descubrimientos de Shirakawa interesaron al químico neozelandés Alan G. MacDiarmid y al físico estadounidense Alan J. Heeger, con los que inició una fructífera relación científica e investigadora que dio como resultado la publicación conjunta del artículo Síntesis de polímeros orgánicos conductores de la electricidad: derivados halógenos del poliacetileno (CH) n, en el prestigioso Journal of Chemical Society en el verano de 1977, en el cual anunciaban el descubrimiento del poliacetileno.

shirakawa4Los polímeros industriales en general suelen ser malos conductores eléctricos, por lo que se emplean masivamente en la industria eléctrica y electrónica como materiales aislantes. Las baquelitas (resinas fenólicas) sustituyeron con ventaja a las porcelanas y el vidrio en el aparellaje de baja tensión hace ya muchos años; termoplásticos como el PVC y los PE, entre otros, se utilizan en la fabricación de cables eléctricos, llegando en la actualidad a tensiones de aplicación superiores a los 20 KV, y casi todas las carcasas de los equipos electrónicos se construyen en termoplásticos de magníficas propiedades mecánicas, además de eléctricas y de gran duración y resistencia al medio ambiente.

Las propiedades eléctricas de los polímeros industriales están determinadas principalmente, por la naturaleza química del material (enlaces covalentes de mayor o menor polaridad) y son poco sensibles a la microestructura cristalina o amorfa del material, que afecta mucho más a las propiedades mecánicas. Su estudio se acomete mediante ensayos de comportamiento en campos eléctricos de distinta intensidad y frecuencia.

Los polímeros conductores, casi todos orgánicos, presentan enlaces deslocalizados (con frecuencia en un grupo aromático) que forman una estructura similar a la del silicio. Cuando se aplica una tensión entre las dos bandas, aumenta la conductividad eléctrica: son, pues, transistores.

Casi todos los polímeros conductores son conocidos semiconductores gracias a su estructura en bandas, aunque algunos se comportan como metales conductores. La principal diferencia entre los polímeros conductores y semiconductores inorgánicos es la movilidad de los electrones, hasta hace poco, mucho menor en los polímeros conductores.

Los principales tipos de polímeros conductores orgánicos son los poliacetilenos, los polipirroles, los politiofenos, las polianilinas y el policloruro de paracresol fenileno (PVPP).

shirakawa2La principal ventaja de los polímeros es su facilidad de producción. Los polímeros conductores están hechos de sencillos plásticos y, por tanto, combinan la flexibilidad, la resistencia, elasticidad de los elastómeros con la conductividad de un metal o de un polímero híbrido dopado.

Pueden emitir luz mediante la aplicación de un tensión en una fina capa de un polímero conductor. Este descubrimiento permitió el desarrollo de pantallas ultra planas, tales como pantallas que utilizan OLEDs, energía solar o amplificadores ópticos.

Existen algunos polímeros conductores en el cuerpo de algunos mamíferos, lo que permitirá la transducción de la luz o el sonido en una señal eléctrica, por ejemplo, en la piel, en los ojos, el oído o el cerebro. Su conductividad parece permitir la absorción de la luz por la piel. La melanina, que pertenece a los poliacetilenos, tiene estas propiedades y sigue siendo una de las moléculas más prometedoras en este ámbito.

La flexibilidad, resistencia, elasticidad y la facilidad de producción de polímeros conductores, la han convertido en un área de investigación de la nanotecnología. Al igual que los procesadores actuales, se espera utilizar estos polímeros para crear circuitos a nivel molecular.

La inventora del Kevlar; Kwolek.

El 31 de julio de 1923, nacía la química polaco-estadounidense Stephanie Kwolek (New Kensington, 31 de julio de 1923 − Wilmington, 18 de junio de 2014).

kwolekEstudió en el Instituto Tecnológico de Carniegie (ahora la Universidad de Carneige-Mellon) donde se graduó con un B.S. Bachelor of Science en química en 1946.

Inmediatamente comenzó a trabajar en una empresa dedicada a varias ramas industriales de la química: E. I. Du Pont de Nemours and Company DuPont, en Buffalo, Nueva York. Después de cuatro años fue transferida a Wilmington, Delaware al laboratorio de investigación de fibras textiles de la misma empresa.

Kwolek trabajó con polímeros de baja temperatura, que al disolverse pueden convertirse en fibras delgadas. Un grupo específico de esos elementos era capaz de producir fibras resistentes que se descomponían a altas temperaturas, fue en 1965 que descubrió un polímero líquido que poco después se conocería como Kevlar® y recibió su patente en 1971.

Stephanie se encontraba realizando experimentos con polímeros, cuando llegó a resultados que consideraba erróneos, esto es por que el Kevlar® es una solución cristalina mientras que la mayoría de estos elementos son de consistencia viscosa. Es por esto que Kwolek pensó, en un principio, que el descubrimiento había sido un accidente.

kwolek3La síntesis de este polímero se lleva a cabo en solución N-metil-pirrolidona y cloruro de calcio, a través de una polimerización por pasos a partir de la p-fenilendiamina y el dicloruro del ácido tereftálico o cloruro de tereftaloílo. La reacción se lleva a cabo a temperaturas bajas debido a su gran exotermicidad. Posteriormente el polímero se hace precipitar y se disuelve en ácido sulfúrico concentrado en el cual kevlar (y otras poliarilamidas) forma una solución cristalina que se emplea para precipitar o coagular las fibras a la vez que se estiran mediante un sistema de hilado.

El descubrimiento supuso un gran avance en el desarrollo de nuevos materiales poliméricos. A comienzos de los años sesenta, la compañía DuPont estaba interesada en obtener una fibra más resistente que el nailon (poliamida 6,6). Hasta entonces las soluciones empleadas para la formación de fibras eran transparentes, por eso cuando obtenían soluciones opalescentes mientras trabajaban con poli(para-fenilen-tereftalamidas) y poli(benzamidas), éstas eran descartadas. La opalescencia se debía a la naturaleza cristalina de estas soluciones (cristales líquidos), algo relativamente novedoso para aquellos tiempos y para ese campo en particular. A pesar de ello, un día Kwolek decidió hilar el producto de esas soluciones. El resultado fue una fibra más resistente que el nylon, que hoy en día es sinónimo de alta resistencia y que actualmente se usa en más de 200 aplicaciones diferentes.

kwolek2Los primeros usos del Kevlar® se dieron en neumáticos dado que su descubrimiento se dio en la búsqueda de materiales resistentes para su fabricación, pero actualmente ya se usa en el diseño de artículos espaciales, cables submarinos, cascos y frenos de automóviles. Además el uso más común es en la fabricación de chalecos antibalas usados por policías y militares a nivel mundial.

Stephanie continuó trabajando para Dupont Company and the National Research Council of the National Academy of Sciences (NAS), a pesar de su retiro en 1986. Su carrera estuvo llena de logros, entre los cuales destacan 17 patentes y múltiples reconocimientos como una publicación en Delaware Section Publication Award de la American Chemical Society (ACS) American Chemical Society, un D.Sc. honorario por parte del Instituto Politécnico de Worcester en 1981 y un reconocimiento al mérito por parte de la Asociación de Alumnos de la Universidad de Carnegie-Mellon.

El descubridor del Titanio; William Gregor.

El 11 de julio de 1817, fallece el químico y geólogo británico William Gregor (25 de diciembre de 1761 – 11 de julio de 1817).   

Fue educado en el Bristol Grammar School, donde se interesó desde muy joven en química. Tras dos años entró como St John’s College, Cambridge, lugar en el que se graduó en 1784.

Fue uno de losgregor fundadores y miembro honorario de la Royal Geological Society en Cornualles, y sus análisis de sustancias tales como el carbono de bismuto topacio, mica de uranio y arseniato de plomo nativo, resultaron insuperables.

El titanio es un elemento químico de símbolo Ti y número atómico 22. Su peso atómico es 47.90. Se trata de un metal de transición de color gris plata. Comparado con el acero, aleación con la que compite en aplicaciones técnicas, es mucho más ligero.

Es el cuarto metal más común en la naturaleza. Las rocas ígneas, los materiales formados por descomposición de rocas ígneas, muchos minerales, principalmente los que tienen hierro y todos los organismos vegetales y animales, contienen titanio.

El titanio se extrae en primer lugar del rutilo (óxido de titanio), abundante en las arenas costeras. Para ello, el titanio debe someterse antes a un proceso de refinado, para prevenir su reacción con sustancias tales como el nitrógeno, el oxígeno y el hidrógeno.

Mientras que su comportamiento químico muestra muchas semejanzas con el del silicio y el zirconio, como un elemento del primer grupo de transición, la química de la solución acuosa, especialmente de los estados de oxidación más bajos, tiene algunas semejanzas con la del cromo y el vanadio.

El principal estadogregor3 de valencia es 4+, aunque también se conocen los estados 3+ y 2+, que son menos estables. El elemento arde al aire cuando se calienta para obtener el dióxido, TiO2, y cuando se combina con halógenos. Reduce el vapor de agua para formar el dióxido e hidrógeno, y reacciona de manera parecida con ácidos concentrados calientes, aunque forma el tricloruro con ácido clorhídrico. El metal absorbe hidrógeno para dar composiciones aproximadamente de TiH2, y forma el nitruro, TiN, y el carburo, TiC. Se conocen el sulfuro TiS2, así como los óxidos más bajos, Ti2O3 y TiO, y los sulfuros Ti2S3 y TiS. Se conocen sales de los tres estados de valencia.

El dióxido de titanio, TiO2, se encuentra comúnmente en una forma negra o de color castaño conocida como rutilo. Las formas naturales que se encuentran menos en la naturaleza son la anatasita y la brooquita. Tanto el rutilo como la anatasita puros son de color blanco. El óxido básico negro, FeTiO3, se encuentra en forma natural como el mineral llamado ilmenita; éste es la principal fuente comercial del titanio.

El titanio recibe el nombre de títanos, del griego antiguo tierra blanca (su óxido es de los blancos más puros), no de los titanes como popularmente se cree. Fue descubierto en 1790 por el químico inglés William Gregor, al analizar un material que había encontrado. En 1795, el químico alemán Martin Klaproth, descubridor del uranio, le dio el nombre de titanio.gregor2

Matthew A. Hunter fue el primero que obtuvo titanio (con una pureza del 99.9%) calentando tetracloruro de titanio (TiCl4) con sodio a 700-800 °C.

El titanio como metal no se empleó hasta 1946 en que William Justin Kroll desarrolló un
método para poder producirlo industrialmente, reduciendo el TiCl4 con magnesio. Este método, llamado Método de Kroll, se sigue utilizando actualmente. En este proceso el metal se debe mantener en una atmósfera de gas inerte, como argón o helio, para impedir la reacción con otros elementos.

El dióxido de titanio se utiliza mucho como un pigmento blanco en pinturas exteriores por ser químicamente inerte, por su gran poder de recubrimiento, su opacidad al daño por la luz UV y su capacidad de autolimpieza. El dióxido también se ha empleado como agente blanqueador y opacador en esmaltes de porcelana, dando un acabado final de gran brillo, dureza y resistencia al ácido.

La utilización del titanio se ha generalizado con el desarrollo de la tecnología aeroespacial, donde es capaz de soportar las condiciones extrgregor4emas de frío y calor que se dan en el espacio y en la industria química, por ser resistente al ataque de muchos ácidos; asimismo, este metal tiene propiedades biocompatibles, dado que los tejidos del organismo toleran su presencia, por lo que es factible la fabricación de muchas prótesis e implantes de este metal.

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