Sólido
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Solid es una de los cuatro estados fundamentales de la materia (los otros son líquido , gas y plasma ). Se caracteriza por la rigidez estructural y resistencia a los cambios de forma o volumen. A diferencia de un líquido , un objeto sólido no fluye a asumir la forma de su envase, ni se expanda para ocupar todo el volumen disponible para ella como un gas hace. Los átomos en un sólido están estrechamente vinculados el uno al otro, ya sea en una red geométrica regular ( sólidos cristalinos , que incluyen metales y ordinario hielo de agua ) o irregular (una sólido amorfo tal como ventana común de vidrio ).
La rama de la física que se ocupa de los sólidos se llama la física de estado sólido, y es la rama principal de la física de la materia condensada (que incluye también los líquidos). Materiales ciencia se ocupa principalmente de la física y propiedades químicas de los sólidos. Química del estado sólido se refiere especialmente a la la síntesis de nuevos materiales, así como la ciencia de la identificación y composición química.
Descripción microscópica
Los átomos, moléculas o iones que forman un sólido pueden estar dispuestos en un patrón de repetición ordenada, o irregularmente. Materiales, cuyos componentes están dispuestos en un patrón regular que se conoce como cristales . En algunos casos, el orden regular puede continuar sin interrupción en una gran escala, por ejemplo diamantes , donde cada diamante es una solo cristal. Los objetos sólidos que son lo suficientemente grandes como para ver y el mango rara vez se componen de un único cristal, sino que están hechas de un gran número de cristales individuales, conocidos como cristalitos, cuyo tamaño puede variar desde unos pocos nanómetros a varios metros. Tales materiales se llaman policristalino. Casi todos los metales comunes, y muchos cerámica, son policristalino.
En otros materiales, no hay ninguna orden de largo alcance en la posición de los átomos. Estos sólidos se conocen como sólidos amorfos; ejemplos incluyen poliestireno y vidrio .
Si es un sólido cristalino o amorfo depende del material involucrado, y las condiciones en que se formó. Los sólidos que se forman por enfriamiento lento tenderán a ser cristalina, mientras que los sólidos que se congelan rápidamente son más propensos a ser amorfo. Asimismo, la específica estructura cristalina adoptada por un sólido cristalino depende del material en cuestión y sobre cómo se formó.
Mientras que muchos objetos comunes, como un cubo de hielo o una moneda, son químicamente idénticos en todo, muchos otros materiales comunes comprenden un número de diferentes sustancias empaquetadas juntas. Por ejemplo, un típico roca es un agregado de varias diferentes minerales y mineraloides, sin composición química específica. La madera es un material orgánico natural que consiste principalmente de fibras de celulosa incrustadas en una matriz orgánica de lignina. En la ciencia de materiales, materiales compuestos de más de un material constituyente pueden ser diseñados para tener propiedades deseadas.
Clases de sólidos
Las fuerzas entre los átomos en un sólido pueden tomar una variedad de formas. Por ejemplo, un cristal de cloruro de sodio (sal común) se compone de iónica de sodio y cloro , que se mantienen unidas por enlaces iónicos. En el diamante o el silicio, los átomos comparten electrones y forma enlaces covalentes. En los metales, los electrones son compartidos en enlace metálico. Algunos sólidos, en particular los compuestos de la mayoría de los orgánicos, se llevan a cabo junto con las fuerzas de van der Waals resultantes de la polarización de la nube de carga electrónica en cada molécula. Las diferencias entre los tipos de resultado sólido a partir de las diferencias entre su unión.
Metales
Metales típicamente son conductores fuertes, densas y bien de ambos electricidad y de calor. La mayor parte de los elementos en la tabla periódica , aquellos a la izquierda de una línea diagonal trazada desde boro a polonio , son metales. Las mezclas de dos o más elementos en la que el componente principal es un metal que se conoce como aleaciones.
La gente ha estado utilizando metales para una variedad de propósitos, desde tiempos prehistóricos. La fuerza y fiabilidad de los metales ha llevado a su uso generalizado en construcción de edificios y otras estructuras, así como en la mayoría de los vehículos, muchos aparatos y herramientas, tuberías, señales de tráfico y las vías del ferrocarril. El hierro y el aluminio son los dos metales estructurales más utilizados, y también son los metales más abundantes en la Tierra corteza . El hierro se utiliza más comúnmente en forma de una aleación, acero , que contiene hasta 2,1% de carbono , lo que es mucho más duro que el hierro puro.
Debido a que los metales son buenos conductores de la electricidad, que son valiosos en eléctricos y aparatos para la realización de una corriente eléctrica a través de largas distancias con poca pérdida de energía o disipación. De este modo, las redes eléctricas se basan en cables metálicos para distribuir electricidad. Sistemas eléctricos de Interior, por ejemplo, se conectan con el cobre por sus buenas propiedades conductoras y fácil maquinabilidad. La altura conductividad térmica de la mayoría de los metales también los hace útiles para utensilios de cocina placa de cocina.
El estudio de la metálicos elementos y su aleaciones hace que una parte significativa de los campos de la química, la física, ciencia de los materiales e ingeniería de estado sólido.
Sólidos metálicos se mantienen unidas por una alta densidad de compartidos, electrones deslocalizados, conocido como " enlace metálico ". En un metal, los átomos pierden fácilmente su más externa (" valencia ") electrones , formando positivos iones . Los electrones libres se extienden por toda el sólido, que se mantiene unido firmemente por las interacciones electrostáticas entre los iones y la nube de electrones. El gran número de electrones libres da metales sus altos valores de conductividad eléctrica y térmica. Los electrones libres también prevenir la transmisión de la luz visible, haciendo metales opaca, brillante y brillante.
Más modelos avanzados de las propiedades del metal consideran el efecto de los iones positivos núcleos en los electrones deslocalizados. Como la mayoría de los metales tienen estructura cristalina, los iones son por lo general dispuestas en una celosía periódica. Matemáticamente, el potencial de los núcleos de iones puede ser tratada por diversos modelos, el más simple es el modelo de electrones casi libres.
Minerales
Minerales son de origen natural sólidos formados a través de diversos geológicas procesos bajo altas presiones. Para ser clasificado como un verdadero mineral, una sustancia debe tener un estructura cristalina con propiedades físicas uniformes en todo. Los minerales varían en composición de puros elementos simples y sales a muy complejo silicatos con miles de formas conocidas. En contraste, una roca es un agregado de la muestra aleatoria de minerales y / o mineraloides, y no tiene ninguna composición química específica. La gran mayoría de las rocas de la corteza terrestre consta de cuarzo (SiO 2 cristalino), feldespato, mica, clorito, caolín, calcita, epidota, olivino, augita, hornblenda, magnetita, hematita, limonita y algunos otros minerales. Algunos minerales, como el cuarzo , mica o feldespato son comunes, mientras que otros se han encontrado en pocos lugares del mundo. El mayor grupo de minerales, con mucho, es el silicatos (la mayoría de las rocas son ≥95% silicatos), que se componen en gran medida de silicio y oxígeno , con la adición de iones de aluminio , magnesio , hierro , calcio y otros metales.
Cerámica
Sólidos de cerámica se componen de compuestos inorgánicos, por lo general óxidos de los elementos químicos. Son químicamente inertes, y, a menudo son capaces de resistir la erosión química que se produce en un ambiente ácido o cáustico. Cerámica generalmente pueden soportar altas temperaturas que van desde 1000 hasta 1600 ° C (1800-3000 ° F). Las excepciones incluyen materiales inorgánicos que no son óxidos, tales como nitruros, boruros y carburos.
Materias primas cerámicas tradicionales incluyen arcilla minerales como caolinita, materiales más recientes incluyen óxido de aluminio ( alúmina ). Los materiales cerámicos modernos, que se clasifican como cerámicas avanzadas, incluyen carburo de silicio y carburo de tungsteno. Ambos se valoran por su resistencia a la abrasión, y por lo tanto son útiles en aplicaciones tales como las placas de desgaste de equipos de trituración en las operaciones mineras.
La mayoría de los materiales cerámicos, tales como alúmina y sus compuestos, son formado a partir de polvos finos, produciendo un grano fino policristalino microestructura que se llena con dispersión de la luz se centra comparable a la longitud de onda de la luz visible . Por lo tanto, son materiales generalmente opacos, a diferencia de materiales transparentes. Nanoescala reciente (por ejemplo, sol-gel) la tecnología ha, sin embargo, hizo posible la producción de policristalino cerámicas transparentes tales como alúmina y alúmina compuestos transparentes para aplicaciones tales como los láseres de alta potencia. Las cerámicas avanzadas también se utilizan en las industrias de medicina, eléctrica y electrónica.
Ingeniería de cerámica es la ciencia y la tecnología de creación de estado sólido de cerámica materiales, piezas y dispositivos. Esto se hace ya sea por la acción del calor, o, a temperaturas más bajas, utilizando reacciones de precipitación de soluciones químicas. El término incluye la purificación de las materias primas, el estudio y la producción de los compuestos químicos que se trate, su formación en componentes, y el estudio de su estructura, composición y propiedades.
Mecánicamente hablando, materiales cerámicos son frágiles, duro, resistente a la compresión y débil en la esquila y la tensión. Los materiales frágiles pueden exhibir significativa resistencia a la tracción por soportar una carga estática. Dureza indica la cantidad de energía que un material puede absorber antes de la falla mecánica, mientras tenacidad a la fractura (denotado K Ic) describe la capacidad de un material con inherente defectos microestructurales para resistir fractura mediante el crecimiento y propagación de grietas. Si un material tiene un valor grande de tenacidad a la fractura, los principios básicos de mecánica de la fractura sugieren que lo más probable sufrir fractura dúctil. La fractura frágil es muy característica de la mayoría cerámica y materiales vitrocerámicos que típicamente presentan valores bajos (e inconsistentes) de K Ic.
Por ejemplo de las aplicaciones de la cerámica, la extrema dureza de Zirconia se utiliza en la fabricación de hojas de cuchillo, así como otras herramientas de corte industrial. Cerámica tales como alúmina , carburo de boro y carburo de silicio se han utilizado en chalecos antibalas para repeler a gran calibre disparos de fusil. Piezas de nitruro de silicio se utilizan en los rodamientos de bolas de cerámica, donde su alta dureza los hace resistentes al desgaste. En general, las cerámicas son también resistentes químicamente y pueden ser utilizados en ambientes húmedos, donde los cojinetes de acero serían susceptibles a la oxidación (o óxido).
Como otro ejemplo de aplicaciones cerámicas, a principios de 1980, Toyota investigó la producción de un motor de cerámica adiabática con una temperatura de funcionamiento de más de 6000 ° F (3300 ° C). Motores de cerámica no requieren un sistema de enfriamiento y por lo tanto permiten una reducción de peso importante y por tanto una mayor eficiencia de combustible. En un motor metálico convencional, gran parte de la energía liberada por el combustible deberá disiparse perder calor con el fin de evitar un colapso de las partes metálicas. El trabajo también se está haciendo en el desarrollo de piezas de cerámica para turbina de gas motores. Los motores de turbina hechas con cerámica podrían operar de manera más eficiente, dando aviones mayor alcance y carga útil para una determinada cantidad de combustible. Sin embargo, estos motores no están en producción debido a la fabricación de piezas de cerámica en la precisión y durabilidad suficiente es difícil y costoso. Los métodos de elaboración a menudo resultan en una amplia distribución de defectos microscópicos que frecuentemente juegan un papel perjudicial en el proceso de sinterización, que resulta en la proliferación de las grietas, y falla mecánica final.
Vidrio cerámica
Materiales de vidrio y cerámicas comparten muchas propiedades con los dos vasos no cristalinos y cristalino cerámica. Se forman como un vaso, y luego parcialmente cristalizado por tratamiento térmico, produciendo tanto amorfo y fases cristalinas de modo que los granos cristalinos están incrustados dentro de una fase intergranular no cristalino.
Las cerámicas de vidrio se utilizan para fabricar utensilios de cocina (originalmente conocido por el nombre de la marca CorningWare) y placa de cocina que tienen tanto una alta resistencia a choque térmico y muy baja permeabilidad a los líquidos. La negativa coeficiente de expansión térmica de la fase cerámica cristalina puede ser equilibrada con el coeficiente positivo de la fase vítrea. En un punto determinado (~ 70% cristalina) el vidrio-cerámica tiene un coeficiente de expansión térmica neta cercana a cero. Este tipo de exposiciones de cerámica de vidrio excelentes propiedades mecánicas y pueden sostener repetida y rápida de la temperatura cambia de hasta 1.000 ° C.
Cerámica de vidrio también pueden ocurrir naturalmente cuando un rayo cae sobre el cristalino (por ejemplo cuarzo) granos encontrados en la mayoría de playa de arena . En este caso, el calor extremo e inmediato del rayo (~ 2500 ° C) crea ramificación estructuras huecas, similares a raíces llamadas fulgurita vía de fusión.
Los sólidos orgánicos
La química orgánica estudia la estructura, propiedades, composición, reacciones, y la preparación por síntesis (u otros medios) de compuestos químicos de carbono y de hidrógeno , que puede contener cualquier número de otros elementos tales como nitrógeno , oxígeno y los halógenos: flúor , cloro , bromo y yodo . Algunos compuestos orgánicos también pueden contener los elementos de fósforo o azufre . Ejemplos de orgánicos sólidos incluyen madera, parafina, naftaleno y una amplia variedad de polímeros y plásticos.
Madera
La madera es un material orgánico natural que consiste principalmente de fibras de celulosa incrustadas en una matriz de lignina. En cuanto a las propiedades mecánicas, las fibras son fuertes en tensión, y la matriz de lignina resiste la compresión. Por lo tanto la madera ha sido un material de construcción importante ya que los humanos comenzaron a construir refugios y utilizando barcos. La madera que se utilizará para los trabajos de construcción que se conoce comúnmente como madera o madera. En la construcción, la madera no es sólo un material estructural, pero también se utiliza para formar el molde para hormigón.
Materiales a base de madera también se utilizan ampliamente para el envasado (por ejemplo, cartón) y papel que ambos fueron creados a partir de la pulpa refinada. Los procesos de fabricación de pasta química utilizan una combinación de (sulfito) productos químicos ácidos de alta temperatura y alcalina (kraft) o para romper los enlaces químicos de la lignina antes de la quema a cabo.
Polímeros
Una propiedad importante de carbono en la química orgánica es que puede formar ciertos compuestos, las moléculas individuales de los cuales son capaces de unirse entre sí, formando así una cadena o una red. El proceso se llama polimerización y las cadenas o redes de polímeros, mientras que el compuesto de origen es un monómero. Existen dos grupos principales de polímeros: los fabricados artificialmente se conocen como polímeros industriales o polímeros sintéticos (plásticos) y los que ocurren naturalmente como biopolímeros.
Los monómeros pueden tener diversos sustituyentes químicos, o grupos funcionales, que puede afectar a las propiedades químicas de los compuestos orgánicos, tales como la solubilidad y la reactividad química, así como las propiedades físicas, tales como dureza, densidad, mecánica o resistencia a la tracción, resistencia a la abrasión, el calor resistencia, transparencia, color, etc .. En las proteínas, estas diferencias dan el polímero la capacidad de adoptar una conformación biológicamente activa con preferencia a otros (ver auto-ensamblaje).
La gente ha estado utilizando polímeros orgánicos naturales durante siglos en forma de ceras y goma laca que se clasifica como un polímero termoplástico. Un polímero planta llamada celulosa proporciona la resistencia a la tracción de las fibras naturales y cuerdas, y por el caucho natural principios del siglo 19 era de uso generalizado. Los polímeros son las materias primas (las resinas) utilizados para hacer lo que comúnmente llamamos plásticos. Los plásticos son el producto final, crean después de uno o más polímeros o aditivos se han añadido a una resina durante el procesamiento, que se conforma entonces en una forma final. Los polímeros que han existido, y que son de uso generalizado actual, incluyen a base de carbono polietileno, polipropileno, cloruro de polivinilo, poliestireno , nylons, poliésteres, acrílicos, de poliuretano, y policarbonatos, y a base de silicio- siliconas. Los plásticos se clasifican generalmente como "mercancía", "especialidad" y plásticos de "ingeniería".
Materiales compuestos
Los materiales compuestos contienen dos o más fases macroscópicas, uno de los cuales es a menudo de cerámica. Por ejemplo, una matriz continua y una fase dispersa de partículas cerámicas o fibras.
Las aplicaciones de materiales compuestos van desde elementos estructurales tales como hormigón reforzado con acero, a las baldosas térmicamente aislantes que desempeñan un papel esencial en el NASA de Sistema de protección térmica del transbordador espacial que se utiliza para proteger la superficie de la nave del calor del reingreso en la atmósfera de la Tierra. Un ejemplo es Reforzado con Carbono-Carbono (RCC), el material de color gris claro que soporta temperaturas de reingreso hasta 1510 ° C (2750 ° F) y protege la tapa de la punta y bordes de ataque de las alas del transbordador espacial. RCC es una material compuesto laminado a partir de grafito paño de rayón y impregnado con una resina fenólica. Después del curado a alta temperatura en un autoclave, el laminado se piroliza para convertir la resina a carbono, impregnada con alcohol furfural en una cámara de vacío, y curada / pirolizado para convertir el alcohol furfural a carbono. Con el fin de proporcionar resistencia a la oxidación para la capacidad de reutilización, las capas exteriores de la RCC se convierten en carburo de silicio.
Ejemplos nacionales de materiales compuestos se pueden ver en las tripas "de plástico" de aparatos de televisión, teléfonos celulares y así sucesivamente. Estas carcasas de plástico son generalmente un compuesto formado por una matriz termoplástica, tal como acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) en el que el carbonato de calcio tiza, talco se han añadido, fibras de vidrio o fibras de carbono para la fuerza, mayor, o dispersión electro-estática. Estas adiciones pueden ser referidos como fibras de refuerzo, o dispersantes, dependiendo de su propósito.
Por lo tanto, el material de matriz rodea y soporta los materiales de refuerzo manteniendo sus posiciones relativas. Los refuerzos confieren sus propiedades mecánicas y físicas especiales para mejorar las propiedades de la matriz. Una sinergia produce propiedades de los materiales que no están disponibles a partir de los materiales constituyentes individuales, mientras que la amplia variedad de matriz y el fortalecimiento de los materiales proporciona el diseñador con la elección de una combinación óptima.
Semiconductores
Semiconductores son materiales que tienen una resistividad eléctrica (y conductividad) entre la de los conductores metálicos y aislantes no metálicos. Se pueden encontrar en la tabla periódica desplazando a la derecha en diagonal hacia abajo desde boro . Se separan los conductores eléctricos (o metales, a la izquierda) de los aisladores (a la derecha).
Los dispositivos fabricados con materiales semiconductores son la base de la electrónica moderna, incluyendo radio, computadoras, teléfonos, etc. Los dispositivos semiconductores incluyen la transistor, células solares, diodos y circuitos integrados . Paneles fotovoltaicos solares son grandes dispositivos semiconductores que transforman directamente la luz en energía eléctrica.
En un conductor metálico, la corriente es transportada por el flujo de electrones ", pero en los semiconductores, la corriente se puede realizar ya sea por electrones o por la carga positiva" agujeros "en la estructura de banda electrónica del material. Materiales semiconductores comunes incluyen silicio, germanio y arseniuro de galio.
Nanomateriales
Muchos sólidos tradicionales exhiben diferentes propiedades cuando se encogen a tamaños de nanómetros. Por ejemplo, las nanopartículas de oro generalmente de color amarillo y gris de silicio son de color rojo; nanopartículas de oro se funden a temperaturas mucho más bajas (~ 300 ° C para el tamaño de 2,5 nm) que las losas de oro (1064 ° C); y nanocables metálicos son mucho más fuertes que los metales a granel correspondientes. La gran superficie de las nanopartículas hace extremadamente atractivo para ciertas aplicaciones en el campo de la energía. Por ejemplo, los metales de platino se pueden proporcionar mejoras como combustible de automoción catalizadores , así como membrana de intercambio (PEM) pilas de combustible de protones. También, óxidos cerámicos (o cermet) de lantano , cerio , manganeso y níquel están siendo desarrollados como pilas de combustible de óxido sólido (SOFC). Litio, litio-titanato y tantalio nanopartículas se están aplicando en las baterías de iones de litio. Nanopartículas de silicio se ha demostrado que ampliar drásticamente la capacidad de almacenamiento de las baterías de iones de litio durante el ciclo de expansión / contracción. Silicio nanocables ciclo sin degradación significativa y presenta el potencial para su uso en baterías con tiempos de almacenamiento ampliado en gran medida. Nanopartículas de silicio también se están utilizando en las nuevas formas de las células de energía solar. Deposición de película delgada de silicio puntos cuánticos en el sustrato de silicio policristalino de una instalación fotovoltaica (solar) célula aumenta salida de voltaje hasta en un 60% por fluorescentes la luz entrante antes de la captura. Aquí de nuevo, el área de superficie de las nanopartículas (y películas delgadas) juega un papel crítico en la maximización de la cantidad de radiación absorbida.
Biomateriales
Muchos materiales naturales (o biológicos) son compuestos complejos con propiedades mecánicas notables. Estas estructuras complejas, que han aumentado de cientos de millones de años de evolución, son los científicos de materiales inspiradores en el diseño de nuevos materiales. Sus características el definir incluyen jerarquía estructural, la multifuncionalidad y la capacidad de auto-sanación. La auto-organización es también una característica fundamental de muchos materiales biológicos y la manera en que las estructuras se ensamblan desde el nivel molecular hasta. Por lo tanto, autoensamblaje está emergiendo como una nueva estrategia en la síntesis química de biomateriales de alto rendimiento.
Propiedades físicas
Las propiedades físicas de los elementos y compuestos que proporcionan pruebas concluyentes de la composición química incluyen olor, color, volumen, densidad (masa por unidad de volumen), punto de fusión, punto de ebullición, capacidad de calor, la forma física y la forma a temperatura ambiente (sólido, líquido o gas ; cristales cúbicos, trigonal, etc.), la dureza, porosidad, índice de refracción y muchos otros. Esta sección trata sobre algunas propiedades físicas de los materiales en estado sólido.
Mecánico
Las propiedades mecánicas de los materiales describen las características tales como su la fuerza y la resistencia a la deformación. Por ejemplo, las vigas de acero se utilizan en la construcción debido a su alta resistencia, lo que significa que no se rompen ni se doblan significativamente bajo la carga aplicada.
Propiedades mecánicas incluyen elasticidad y plasticidad, resistencia a la tracción, fuerza compresiva, resistencia al corte, tenacidad a la fractura, ductilidad (baja en materiales frágiles), y dureza de penetración. Mecánica de sólidos es el estudio del comportamiento de la materia sólida dentro de acciones externas, como fuerzas externas y cambios de temperatura.
Un sólido no exhibe flujo macroscópico, como fluidos hacen. Cualquier grado de desviación de su forma original se llama deformación. La proporción de la deformación a tamaño original se denomina cepa. Si el aplicado estrés es suficientemente baja, casi todos los materiales sólidos se comportan de tal manera que la cepa es directamente proporcional a la tensión ( La ley de Hooke). El coeficiente de la proporción se denomina módulo de elasticidad o El módulo de Young. Esta región de deformación se conoce como la región linealmente elástico. Tres modelos pueden describir como un sólido responde a un esfuerzo aplicado:
- Elasticidad - Cuando se retira una tensión aplicada, el material vuelve a su estado no deformado.
- Viscoelasticidad - Estos son los materiales que se comportan elásticamente, sino que también tienen de amortiguación. Cuando se retira la tensión aplicada, el trabajo tiene que hacer frente a los efectos de amortiguación y se convierte en calor dentro del material. Esto resulta en una bucle de histéresis en la curva tensión-deformación. Esto implica que la respuesta mecánica tiene una dependencia del tiempo.
- Plasticidad - Los materiales que se comportan elásticamente generalmente lo hacen cuando la tensión aplicada es menor que un valor de rendimiento. Cuando la tensión es mayor que la tensión de fluencia, el material se comporta plásticamente y no vuelve a su estado anterior. Es decir, la deformación plástica irreversible (o flujo viscoso) se produce después de la deformación que es permanente.
Muchos materiales se vuelven más débiles a altas temperaturas. Materiales que conservan su resistencia a altas temperaturas, llamados materiales refractarios, son útiles para muchos propósitos. Por ejemplo, vidrio-cerámica se han convertido en extremadamente útil para la cocina encimera, ya que presentan excelentes propiedades mecánicas y pueden sostener repetida y rápida de la temperatura cambia de hasta 1.000 ° C. En la industria aeroespacial, materiales de alto rendimiento utilizados en el diseño de aeronaves y / o exteriores de naves espaciales deben tener una alta resistencia al choque térmico. Así, las fibras sintéticas se salieron de polímeros orgánicos y materiales compuestos metal / polímero / cerámica y polímeros reforzados con fibra están siendo diseñados con este propósito en mente.
Térmico
Debido a que los sólidos tienen energía térmica, sus átomos vibran sobre posiciones medias fijos dentro de la estructura ordenada (o desordenada). El espectro de las vibraciones de la red en una red cristalina o vidriosa proporciona la base para la teoría cinética de los sólidos. Este movimiento se produce en el nivel atómico, y por lo tanto no puede ser observado o detectado sin equipo altamente especializado, tal como el utilizado en la espectroscopia .
Las propiedades térmicas de los sólidos incluyen conductividad térmica, que es la propiedad de un material que indica su capacidad para conducir el calor. Los sólidos también tienen una capacidad específica de calor, que es la capacidad de un material para almacenar energía en forma de calor (o vibraciones térmicas de celosía).
Eléctrico
Propiedades eléctricas incluyen conductividad, resistencia, impedancia y capacitancia . Los conductores eléctricos tales como metales y aleaciones se contrastan con aisladores eléctricos como vidrios y cerámicas. Semiconductores comportan algún punto intermedio. Considerando que la conductividad en los metales es causada por electrones, ambos electrones y agujeros contribuyen a la corriente en los semiconductores. Alternativamente, los iones apoyan corriente eléctrica en conductores iónicos.
Muchos materiales también exhiben superconductividad a temperaturas bajas; que incluyen elementos metálicos tales como aluminio, estaño y varias aleaciones metálicas, algunas semiconductores fuertemente dopados, y ciertas cerámicas. La resistividad eléctrica de la mayoría (metálicos) conductores eléctricos generalmente disminuye gradualmente a medida que se baja la temperatura, pero sigue siendo finito. En un superconductor sin embargo, la resistencia cae abruptamente a cero cuando se enfría el material por debajo de su temperatura crítica. Una corriente eléctrica que fluye en un bucle de alambre superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de energía.
La dieléctrico, o aislante eléctrico, es una sustancia que es altamente resistente al flujo de la corriente eléctrica. Un dieléctrico, tal como plástico, tiende a concentrarse un campo eléctrico aplicado dentro de sí mismo que la propiedad se utiliza en condensadores. La condensador es un dispositivo eléctrico que puede almacenar la energía en el campo eléctrico entre un par de conductores muy próximas entre sí (llamado "placas"). Cuando se aplica voltaje al condensador, cargas eléctricas de igual magnitud, pero de polaridad opuesta, se acumulan en cada placa. Los condensadores se utilizan en los circuitos eléctricos como dispositivos de almacenamiento de energía, así como en filtros electrónicos para diferenciar entre señales de alta frecuencia y de baja frecuencia.
Electro-mecánica
La piezoelectricidad es la capacidad de cristales para generar una tensión en respuesta a una tensión mecánica aplicada. El efecto piezoeléctrico es reversible en que los cristales piezoeléctricos, cuando se somete a un voltaje aplicado externamente, puede cambiar de forma en una pequeña cantidad. Materiales poliméricos como el caucho, lana, pelo, fibra de madera, y la seda a menudo se comportan como electrets. Por ejemplo, el polímero fluoruro de polivinilideno (PVDF) exhibe una respuesta piezoeléctrica varias veces más grande que el cuarzo material piezoeléctrico tradicional (cristalino SiO2). La deformación (~ 0,1%) se presta para aplicaciones técnicas útiles como fuentes de alta tensión, altavoces, láseres, así como química, biológica, y sensores acústico-ópticos y / o transductores.
Óptico
Los materiales pueden transmitir (por ejemplo, vidrio) o reflejan (por ejemplo, metales) de luz visible.
Muchos materiales transmitirán algunas longitudes de onda mientras que bloquea otros. Por ejemplo, el vidrio de ventana es transparente para la luz visible, pero mucho menos a la mayoría de las frecuencias de ultravioleta luz que causan quemaduras solares. Esta propiedad se utiliza para filtros ópticos selectivos en frecuencia, que pueden alterar el color de la luz incidente.
Para algunos propósitos, las propiedades de ambas ópticas y mecánicas de un material pueden ser de su interés. Por ejemplo, los sensores en una homing infrarrojo ("búsqueda de calor") misil debe ser protegida por una cubierta que es transparente a la radiación infrarroja. El material de elección para las cúpulas de misiles guiados por infrarrojos de alta velocidad es de un solo cristal zafiro. La transmisión óptica de zafiro en realidad no se extiende a cubrir todo el rango del infrarrojo medio (5.3 m), pero comienza a dejar en longitudes de onda mayores de aproximadamente 4,5 micras a temperatura ambiente. Mientras que la fuerza de zafiro es mejor que la de otros materiales domo de infrarrojos disponible de gama media a temperatura ambiente, se debilita por encima de 600 ° C. Existe una larga data de compromiso entre paso de banda óptica y durabilidad mecánica; nuevos materiales, como cerámica transparente o nanocompuestos ópticos pueden proporcionar un rendimiento mejorado.
La transmisión de ondas de luz guiada implica el campo de la fibra óptica y la capacidad de ciertos vidrios para transmitir, de forma simultánea y con baja pérdida de intensidad, una gama de frecuencias (guías de onda ópticas multimodo) con poca interferencia entre ellos. Guías de onda ópticas se utilizan como componentes en circuitos ópticos integrados o como medio de transmisión en sistemas de comunicación ópticos.
Optoelectrónica
Una célula solar o célula fotovoltaica es un dispositivo que convierte la energía luminosa en energía eléctrica. Fundamentalmente, el dispositivo tiene que cumplir dos funciones: foto generación de portadores de carga (electrones y huecos) en un material que absorbe la luz, y la separación de los portadores de carga a un contacto conductor que va a transmitir la electricidad (en pocas palabras, que lleva electrones off a través de un contacto de metal en un circuito externo). Esta conversión se denomina efecto fotoeléctrico, y el campo de la investigación relacionada con las células solares se conoce como la energía fotovoltaica.
Las células solares tienen muchas aplicaciones. Ellos han sido utilizados en situaciones en que la energía eléctrica de la red no está disponible, como por ejemplo en sistemas de potencia área remota, satélites y sondas espaciales, calculadoras de bolsillo, relojes de pulsera, radioteléfonos remotos y aplicaciones de bombeo de agua que orbitan la Tierra. Más recientemente, se están empezando a utilizar en las asambleas de los módulos solares (paneles fotovoltaicos) conectados a la red eléctrica a través de un inversor, es decir, no para actuar como una fuente única, sino como una fuente de energía eléctrica adicional.
Todas las células solares requieren un material absorbente de luz contenida dentro de la estructura de la célula para absorber fotones y generar electrones a través del efecto fotovoltaico. Los materiales utilizados en células solares tienden a tener la propiedad de absorber preferentemente las longitudes de onda de la luz solar que llegan a la superficie de la tierra. Sin embargo, algunas células solares están optimizados para la absorción de luz más allá de la atmósfera de la Tierra.
