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Ingeniería de Materiales

Esta colección cuenta con métodos de vanguardia para el análisis y caracterización de materiales, e introduce una gama de materiales y procesos avanzados para nuevas tecnologías y aplicaciones.

  • Materials Engineering

    07:33
    Materialografía óptica Parte 1: Preparación de muestras

    Fuente: Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA

    La imagen de estructuras microscópicas de materiales sólidos, y el análisis de los componentes estructurales de la imagen, se conoce como materialografía. Información cualitativa como, por ejemplo, si hay o no porosidad en el material, cómo se ve el tamaño y la distribución de la forma de los granos, o si hay anisotropía en structura se puede observar directamente. Veremos en la Parte 2 de la serie Materialography, sin embargo, que los métodos estadísticos nos permiten medir cuantitativamente estas características microestructurales y traducir el análisis de una sección transversal bidimensional a la estructura tridimensional de un muestra de material. Esta presentación proporcionará una visión general de las técnicas y procedimientos involucrados en la preparación de muestras de material sólido para la microscopía óptica. Si bien la materialografía se puede llevar a cabo con microscopía óptica y basada en electrones, esta presentación se centrará en la preparación de la muestra específicamente para la microscopía óptica. Cabe señalar, sin embargo, que una muestra preparada para la materialografía óptica se puede utilizar para escanear la microscopía electrónica, así como con mínimo, si los hay, pasos adicionales.

  • Materials Engineering

    07:45
    Materialografía óptica Parte 2: Análisis de imagen

    Fuente: Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA

    La imagen de estructuras microscópicas de materiales sólidos, y el análisis de los componentes estructurales de la imagen, se conoce como materialografía. A menudo, nos gustaría cuantificar la microestructura tridimensional interna de un material utilizando sólo las características estructurales evidenciadas por unaicie bidimensional expuesta. Mientras que los métodos tomográficos basados en rayos X pueden revelar microestructura enterrada (por ejemplo, las tomografías computarizadas con las que estamos familiarizados en un contexto médico), el acceso a estas técnicas es bastante limitado debido al costo de la instrumentación asociada. La materialografía basada en microscopio óptico proporciona una alternativa mucho más accesible y rutinaria a la tomografía de rayos X. En la Parte 1 de la serie Materialography, cubrimos los principios básicos detrás de la preparación de la muestra. En la Parte 2, repasaremos los principios detrás del análisis de imágenes, incluidos los métodos estadísticos que nos permiten medir cuantitativamente las características microestructurales y traducir la información de una sección transversal bidimensional a la estructura de una muestra de material.

  • Materials Engineering

    09:19
    Espectroscopia de fotoelectrón de rayos X

    Fuente: Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA

    La espectroscopia de fotoelectrón de rayos X (XPS) es una técnica que mide la composición elemental, la fórmula empírica, el estado químico y el estado electrónico de los elementos que existen dentro de un material. Los espectros XPS se obtienen irradiando un material con un haz de rayos X mientras se mide simultáneamentegía cinética y el número de electrones que escapan de los primeros nanómetros del material que se está analizando (dentro de los 10 nm superiores, para la cinética típica energías de los electrones). Debido al hecho de que los electrones de señal escapan predominantemente de dentro de los primeros nanómetros del material, XPS se considera una técnica analítica de superficie. El descubrimiento y la aplicación de los principios físicos detrás de XPS o, como se conocía anteriormente, la espectroscopia de electrones para el análisis químico (ESCA), dio lugar a dos premios Nobel de física. El primero fue otorgado en 1921 a Albert Einstein por su explicación del efecto fotoeléctrico en 1905. El efecto fotoeléctrico sustenta el proceso por el cual se genera la señal en XPS. Mucho más tarde, Kai Siegbahn desarrolló ESCA basado en algunos de los primeros trabajos de Innes, Moseley, Rawlinson y Robinson, y grabó, en 1954, el primer espectro XPS de alta resolución de energía de NaCl. Una n

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    09:30
    Difracción de rayos X

    Fuente: Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA

    La difracción de rayos X (RDX) es una técnica utilizada en la ciencia de materiales para determinar la estructura atómica y molecular de un material. Esto se hace irradiando una muestra del material con rayos X incidentes y luego midiendo las intensidades y ángulos de dispersión de los rayos X que están dispersos por elial. La intensidad de los rayos X dispersos se trazan en función del ángulo de dispersión, y la estructura del material se determina a partir del análisis de la ubicación, en ángulo y las intensidades de los picos de intensidad dispersa. Más allá de ser capaz de medir las posiciones medias de los átomos en el cristal, se puede determinar información sobre cómo la estructura real se desvía de la ideal, resultante, por ejemplo, de estrés interno o de defectos. La difracción de los rayos X, que es fundamental para el método XRD, es un subconjunto de los fenómenos generales de dispersión de rayos X. El XRD, que generalmente se utiliza para significar la difracción de rayos X de gran angular (WAXD), se encuentra bajo varios métodos que utilizan las ondas de rayos X dispersas elásticamente. Otras técnicas de rayos X basadas en dispersión elástica incluyen dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS, por sus dados) donde los rayos X son incidentes en la muestra en el pequeño rango an

  • Materials Engineering

    09:28
    Vigas de iones enfocadas

    Fuente: Sina Shahbazmohamadi y Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti, Escuela de Ingeniería, Universidad de Connecticut, Storrs, CT

    A medida que los microscopios electrónicos se vuelven más complejos y ampliamente utilizados en los laboratorios de investigación, se vuelve más una necesidad introducir sus capacidades. El haz iónico focalizado (FIB) es un instrumento que se puede emplear con el fin de fabricar, recortar, analizar yterizar materiales en mico- y nanoescalas en una amplia variedad de campos, desde la nanoelectrónica hasta la medicina. Los sistemas FIB se pueden considerar como un haz de iones que se pueden utilizar para fresar (sputter), depositar y convertir materiales en micro y nanoescalas. Las columnas ióniales de los FIB se integran comúnmente con las columnas de electrones de los microscopios electrónicos de barrido (SEM). El objetivo de este experimento es introducir el estado de la técnica en tecnologías de haz de iones enfocados y mostrar cómo estos instrumentos se pueden utilizar con el fin de fabricar estructuras que son tan pequeñas como las membranas más pequeñas que se encuentran en el cuerpo humano.

  • Materials Engineering

    08:31
    Solidificación direccional y estabilización de fase

    Fuente: Sina Shahbazmohamadi y Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti, Escuela de Ingeniería, Universidad de Connecticut, Storrs, CT

    La fusión de la zona de solidificación direccional es un proceso metalúrgico en el que se funde una región estrecha de un cristal (generalmente en forma de barra). El horno se mueve a lo largo de la muestra de forma de varilla, lo que significa que la zona fundida se mueve a lo largo del cristal y la zona da se mueve de un extremo de la barra al otro. Este mecanismo es ampliamente utilizado en aleaciones, sin embargo los átomos de soluto tienden a segregarse a la fusión. En este tipo de aleación, las impurezas también se concentran en la fusión, y se mueven a un extremo de la muestra junto con la zona fundida en movimiento. Por lo tanto, la fusión de zonas se utiliza más ampliamente para el refinado de material comercial. 1. muestra cómo la zona fundida de alta impureza se mueve de un lado de la barra al otro. El eje vertical es la concentración de impureza y el eje horizontal es la longitud de la muestra. Debido a la tendencia de las impurezas a segregarse a la región fundida, su concentración en la fusión es mayor que en el sólido. Por lo tanto, a medida que los materiales fundidos viajan hasta el final de la barra, la impureza será transportada al final de la barra y dejar el material sólido de alta pureza detrás de ella. Figura 1: Esquema del cambio de composición durante la

  • Materials Engineering

    12:02
    Calorimetría de escaneo diferencial

    Fuente: Danielle N. Beatty y Taylor D. Sparks,Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de Utah, Salt Lake City, UT

    La calorimetría de escaneo diferencial (DSC) es una medida importante para caracterizar las propiedades térmicas de los materiales. DSC se utiliza principalmente para calcular la cantidad de calor almacenado en un material a medida que se calienta (capacidad de calor), así como el calor absorbido oerado durante reacciones químicas o cambios de fase. Sin embargo, la medición de este calor también puede conducir al cálculo de otras propiedades importantes como la temperatura de transición cristalina, la cristalinidad del polímero y más. Debido a la naturaleza larga y similar a la cadena de los polímeros, no es raro que las hebras de polímeros estén enredadas y desordenadas. Como resultado, la mayoría de los polímeros son sólo parcialmente cristalinos con el resto del polímero siendo amorfo. En este experimento utilizaremos DSC para determinar la cristalinidad del polímero.

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    10:31
    Difusividad térmica y el método de flash láser

    Fuente: Elise S.D. Buki, Danielle N. Beatty, y Taylor D. Sparks,Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de Utah, Salt Lake City, UT

    El método de flash láser (LFA) es una técnica utilizada para medir la difusividad térmica, una propiedad específica del material. La difusividad térmica es la relación entre la cantidad de calor que se lleva a cabo en relación con la cantidad de calor que se almacena en un material. cionado con laconductividad térmica ( ), la cantidad de calor que se transfiere a través de un material debido a un gradiente de temperatura, por la siguiente relación: (Ecuación 1) donde es la densidad del material y Cp es la capacidad térmica específica del material a la temperatura de interés dada. Tanto la difusividad térmica como la conductividad térmica son propiedades importantes del material que se utilizan para evaluar cómo los materiales transfieren el calor (energía térmica) y reaccionan a los cambios de temperatura. Las mediciones de la difusividad térmica se obtienen más comúnmente por el método de flash térmico o láser. En esta técnica se calienta una muestra pulsando con un destello láser o xenón en un lado pero no en el otro, induciendo así un gradiente de temperatura. Este gradiente de temperatura da como resultado que el calor se propague a través de la muestra hacia el lado opuesto, calentando la muestra a medida que avanza. En el lado opuest

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    07:57
    Electroplating of Thin Films

    Fuente: Logan G. Kiefer, Andrew R. Falkowski, y Taylor D. Sparks,Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de Utah, Salt Lake City, UT

    El electroplating es un proceso que utiliza corriente eléctrica para reducir los cationes de metal disuelto para que formen un recubrimiento delgado en un electrodo. Otras técnicas de deposición de película delgada incluyen deposición de vapor químico (CVD), recubrimiento de espín, iento de inmersión y deposición de esputos entre otros. CVD utiliza un precursor de fase gaseosa del elemento a depositar. El recubrimiento de espín extiende centrífugamente el precursor líquido. El recubrimiento de inmersión es similar al recubrimiento de espín, pero en lugar de girar el precursor líquido, el sustrato está completamente sumergido en él. Sputtering utiliza plasma para eliminar el material deseado de un objetivo, que luego placa el sustrato. Técnicas como CVD o sputtering producen películas de muy alta calidad, pero lo hacen muy lentamente y a un alto costo ya que estas técnicas suelen requerir una atmósfera de vacío y un pequeño tamaño de muestra. La electrodeposición no depende de una atmósfera de vacío que reduzca en gran medida el costo y aumente la escalabilidad. Además, se pueden lograr tasas de deposición relativamente altas con electrodeposición.

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    09:41
    Análisis de la expansión térmica a través de la dilatometría

    Fuente: J. Jacob Chávez, Ryan T. Davis, y Taylor D. Sparks,Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de Utah, Salt Lake City, UT

    La expansión térmica es extremadamente importante a la hora de considerar qué materiales se utilizarán en sistemas que experimenten fluctuaciones de temperatura. Una expansión térmica alta o baja en un material puede o no ser deseable, dependiendo de la aplicación. Por ejemplo, en unro líquido común, un material con una alta expansión térmica sería deseable debido a su sensibilidad a los cambios de temperatura. Por otro lado, un componente de un sistema que experimenta altas temperaturas, como un transbordador espacial que vuelve a entrar en la atmósfera, necesitará un material que no se expanda y se contrae con grandes fluctuaciones de temperatura para evitar tensiones térmicas y Fractura. La dilatometría es una técnica utilizada para medir las dimensiones de los cambios de área, forma, longitud o volumen de un material en función de la temperatura. Un uso principal para un dilatametro es el cálculo de la expansión térmica de una sustancia. Las dimensiones de la mayoría de los materiales aumentan cuando se calientan a una presión constante. La expansión térmica se obtiene registrando la contracción o expansión en respuesta a los cambios de temperatura.

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    08:57
    Espectroscopia de Impedancia Electroquímica

    Fuente: Kara Ingraham, Jared McCutchen y Taylor D. Sparks,Department of Materials Science and Engineering, The University of Utah, Salt Lake City, UT

    La resistencia eléctrica es la capacidad de un elemento de circuito eléctrico para resistir el flujo de electricidad. La resistencia se define por la Ley de Ohm:

    (Ecuación 1)

    Dónde está la tensión y está la corriente. La ley de Ohm es útil para determinar la resistencia de stencias ideales. Sin embargo, muchos elementos de circuito son más complejos y no se pueden describir solo por resistencia. Por ejemplo, si se utiliza una corriente alterna (CA), la resistividad a menudo dependerá de la frecuencia de la señal de CA. En lugar de utilizar la resistencia por sí solo, la impedancia eléctrica es una medida más precisa y generalizable de la capacidad de un elemento de circuito para resistir el flujo de electricidad. Más comúnmente, el objetivo de las mediciones de impedancia eléctrica es la desconvolución de la impedancia eléctrica total de una muestra en contribuciones de diferentes mecanismos como resistencia, capacitancia o inducción.

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    09:58
    Materiales compuestos de matriz cerámica y sus propiedades de flexión

    Fuente: Sina Shahbazmohamadi y Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti, Escuela de Ingeniería, Universidad de Connecticut, Storrs, CT

    Los huesos son compuestos, hechos de una matriz cerámica y refuerzos de fibra de polímero. La cerámica aporta resistencia a la compresión, y el polímero proporciona resistencia a la tracción y a la flexión. Mediante la combinación de materiales cerámicos y polímeros en diferentes cantidades, el cuerpor materiales únicos adaptados para una aplicación específica. Como ingenieros biomédicos, tener la capacidad de reemplazar y replicar hueso debido a enfermedades o lesiones traumáticas es una faceta vital de la ciencia médica. En este experimento crearemos tres compuestos diferentes de matriz cerámica con yeso de París (que es un compuesto de sulfato de calcio), y les permitiremos someterse a una prueba de flexión de tres puntos para determinar qué preparación es la más fuerte. Los tres compuestos son los siguientes: uno compuesto sólo de yeso de París, uno con fragmentos de vidrio picados mezclados en una matriz de yeso y, por último, una matriz de yeso con una red de fibra de vidrio incrustada en ella.

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    06:51
    Aleaciones nanocristalinas y estabilidad del tamaño de nanograno

    Fuente: Sina Shahbazmohamadi y Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti, Escuela de Ingeniería, Universidad de Connecticut, Storrs, CT

    Las aleaciones con un tamaño de grano inferior a 100 nm se conocen como aleaciones nanocristalinas. Debido a sus propiedades físicas y mecánicas mejoradas, existe una demanda cada vez mayor para emplearlos en diversas industrias como semiconductores, biosensores y aeroespacial.

    Para mejorar elcesamiento y la aplicación de aleaciones nanocristalinas, es necesario desarrollar materiales gruesos 100% densos que requieren un efecto sinérgico de temperatura y presión elevadas. Al aumentar la temperatura y la presión aplicadas, los granos pequeños comienzan a crecer y pierden sus distinguidas propiedades. Por lo tanto, es tecnológicamente importante llegar a un compromiso entre la unión entre partículas con la porosidad mínima y la pérdida de tamaño de grano a nanoescala durante la consolidación a temperaturas elevadas. En este estudio pretendemos eliminar el oxígeno de la solución sólida para mejorar la estabilidad del tamaño de los nanogranos a temperaturas elevadas. La aleación nanocristalina Fe-14Cr-4Hf se sintetizará en un entorno protegido para evitar la formación de partículas de óxido.

  • Materials Engineering

    08:32
    Síntesis de hidrogel

    Fuente: Amber N. Barron, Ashlea Patterson y Taylor D. Sparks,Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de Utah, Salt Lake City, UT

    Los hidrogeles son una clase versátil de polímeros reticulados producidos a través de procedimientos relativamente simples y con materiales generalmente baratos. Se pueden formar a partir de la solución e involucran una columna vertebral de polímero formada a partir de reactivoseros, un iniciador que hace que el polímero sea reactivo y una especie reticulante que une las cadenas de polímeros. Un aspecto importante de estos materiales es que se hinchan en presencia de agua, pero esta respuesta se puede ajustar aún más para mejorar la hinchazón en función de la salinidad, pH u otras señales. Como producto final, los hidrogeles se pueden utilizar en ambientes acuosos o secos, con una gama de propiedades útiles como flexibilidad, alta absorbancia, transparencia y aislamiento térmico. Se utilizan comúnmente para la absorción de líquidos, sensores, productos de consumo, y la entrega de medicamentos.

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