MEDIO DE CALENTAMIENTO SENSIBLE A LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA BASADO EN MATERIALES DE MOTT.

Medio de calentamiento sensible a la radiación electromagnética basado en materiales de Mott.

La presente invención se refiere a medios de calentamiento que permiten una absorción óptima de una radiación electromagnética no ionizante cuya energía o información asociada, se transforma en calor. El objeto de la invención consiste en una composición y una arquitectura basada en micro y nanopartículas capaces de resonar con la radiación externa. Como entidades sensibles a la radiación, dichas partículas comprenden preferentemente materiales de Mott. En términos de eficiencia, las partículas de materiales de Mott deben dispersarse en una matriz espaciadora cuya carga máxima la determinará de forma exacta el límite de percolación eléctrica del nanocompuesto. La invención puede usarse para generar calor de forma selectiva, para la activación catalítica o como material que evite la propagación de una señal electromagnética.

MEDIO DE CALENTAMIENTO SENSIBLE A LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA BASADO EN MATERIALES DE MOTT

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a medios capaces de disipar energía a través de la absorción de radiación electromagnética no ionizante, susceptibles de ser utilizados como medios de calentamiento y/o como catalizadores. Más concretamente, la invención se enmarca dentro del campo técnico correspondiente a medios de calentamiento basados en nanopartículas que presentan resonancia al someterse a radiación externa, comprendiendo dichos medios, preferentemente, materiales de Mott sensibles a la radiación no ionizante de microondas y/o radiofrecuencia.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los materiales de Mott son objeto de un fenómeno de disipación de energía único que resulta de su interacción con la radiación electromagnética. La naturaleza de la interacción está asociada con los portadores de carga libres, relativamente lentos, por lo que la mayor eficiencia de absorción electromagnética coincide con la transición de aislante o semiconductor a metal correlacionado (A-MC) del material de Mott. En el rango de temperaturas donde la transición A-MC tiene lugar, los portadores de carga del material se autoajustan para resonar con la radiación externa aplicada. Tras la absorción de energía, los electrones libres y las vibraciones elementales de la red cristalina del material interaccionan, resultando en la deposición de energía electromagnética.

La conversión eficiente de radiación electromagnética no ionizante en calor a escala micro y nanométrica ha sido descrita para nanopartículas metálicas de tipo plasmónico. La fototermia conducida por nanopartículas plasmómicas metálicas en el infrarrojo cercano es de utilidad, por ejemplo, en aplicaciones biomédicas. Sin embargo, la respuesta frente a una radiación electromagnética en materiales de Mott permite ampliar el espectro a mayores longitudes de onda, como por ejemplo microondas y radiofrecuencia. La respuesta de estos materiales a la radiación electromagnética ha sido estudiada, tradicionalmente, bajo el principio de prueba, encontrándose que ciertos materiales de Mott, principalmente magnetita, Fe304, y oxido de vanadio (V02), pueden ser utilizados en aplicaciones

tecnológicas basadas en el empleo de radiación electromagnética no ionizante. No son conocidas, sin embargo, referencias en el estado de la técnica que generalicen y ejemplifiquen los requisitos para un aprovechamiento energético óptimo de las partículas nanométricas de Mott para la atenuación de radiación incidente. En este sentido, es conocido, por ejemplo, el uso de nanoestructuras de carbono (por ejemplo, nanotubos de carbono) dispersas en matrices espadadoras como medio sensible a la radiación electromagnética. Sin embargo, dicho uso no hace distinciones entre nanotubos conductores o semiconductores, y tampoco contempla cuáles son las condiciones que permiten una disipación máxima de la radiación electromagnética absorbida, tales como la temperatura del material, la concentración de las nanopartículas o las propiedades de conducción de las matrices espadadoras.

Otros estudios ejemplifican el uso particular de ciertas composiciones que entran dentro de la familia de materiales de Mott, tales como las perovskitas. No obstante, tal y como sucede con los usos relativos a los nanotubos de carbono, dichos estudios no especifican cuáles son las propiedades físicas necesarias ni la arquitectura del compuesto que garanticen un comportamiento óptimo asociado al máximo rendimiento energético.

La presente invención propone una solución al problema técnico antes citado, a través de medios de calentamiento novedosos, basados en materiales de Mott.

DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN

Un objeto de la presente invención es, pues, un medio de calentamiento basado en materiales de Mott, en combinación con matrices espadadoras donde se depositan micro o nanopartículas de dichos materiales. El objetivo de dicha combinación es dar lugar a medios de calentamiento que, por su composición y arquitectura, resulten altamente disipativos ante la absorción de radiación electromagnética no ionizante, preferentemente en la banda de frecuencias de las microondas y/o radiofrecuencia. Adicionalmente, otro objeto de la invención es obtener medios cuyo calentamiento pueda llevarse a cabo de forma selectiva en su volumen o superficie, dando lugar a focos de calentamiento en puntos nanométricos o regiones específicas de los materiales que los componen.

Dichos objetos de la invención se consiguen mediante un medio de calentamiento sensible a la radiación electromagnética, que comprende micropartículas y/o nanopartículas de un material de Mott, dispuestas en la superficie y/o el volumen de una matriz espadadora de

dichas partículas, donde la concentración en volumen de dicho material de Mott en la matriz espadadora es igual o inferior a su límite de percolación. Preferentemente, el material de Mott presenta una concentración de entre el 1% y el 30% en volumen en dicha matriz espadadora; dependiendo de la forma y composición de las partículas del material de Mott y de la matriz. Más preferentemente, la concentración del material es de entre el 5% y el 20% (por ejemplo para partículas esféricas de óxidos metálicos). Se consigue con ello un medio de calentamiento eficaz, que permite además obtener rampas muy elevadas de calentamiento.

Preferentemente pero no necesariamente, el material de Mott del medio de calentamiento se encuentra a una temperatura Tt en el rango XT = |(Tt-Ta.Mc)|/TA-mc ^ 20%, donde la temperatura Ta.mc es la correspondiente al inicio de la progresiva transición A-MC del material. Más preferentemente, XT s 10% y, aún más preferentemente, XT s 5%. Se consigue con ello obtener medios de calentamiento cuyos materiales de Mott se encuentran en la región de transición A-MC, obteniéndose las condiciones óptimas para aumentar sus capacidades disipativas.

Preferentemente, la invención se refiere a medios de calentamiento que comprenden materiales de Mott de diferente naturaleza, tanto orgánica como inorgánica. Entre otros, los materiales de Mott más destacados son: semiconductores de carbono (nanotubos, fulerenos, grafeno), óxidos metálicos (óxidos de vanadio, cobalto o níquel) y óxidos complejos (perovskitas). No obstante, cualquier material de Mott presenta características análogas en mayor o menor grado. La elección del soporte y material de Mott más adecuado dependerá del uso específico que se dé a la invención.

Los materiales de Mott de la invención pueden ser, por ejemplo, uno o más de los siguientes: óxidos simples, cobaltitas, perovskitas, magnetita, nanoestructuras de carbono. Más preferentemente, dichos materiales pueden ser NiO, V02, CuO, LaCo03, PrCo03, NdCo03, SmCo03, EuCo03, GaCo03, La0,9Sr0,1CoO3, SmNi03, EuNi03, LaMn03, La1- XSrXNi03, comprendiendo opcionalmente sustancias dopantes o fases activas en su entorno.

Por su parte, la matriz espadadora del medio de calentamiento de la invención puede comprender un material no conductor transparente a la radiación electromagnética, por ejemplo basado en monolitos de cordierita, KBr, Ti02, Ce02, un óxido metálico formalmente sin electrones d o f en la capa de valencia, alúmina, una zeolita ácida, cálcica o

intercambiada con cationes divalentes, o un fluido dieléctrico. Alternativamente, la matriz espadadora puede comprender un material capaz de absorber radiación electromagnética, tal como una zeolita sódica.

Otro objeto de la invención se refiere a un método de calentamiento de materiales que comprende la aplicación de radiación no ionizante a un medio de calentamiento según cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento. Preferentemente, dicha radiación comprende radiación de microondas y/o radiofrecuencia, opcionalmente operada de forma pulsada.

En una realización preferente del método de la invención, los materiales de Mott se disponen de forma inhomogénea en la matriz espadadora, de forma que se generen gradientes térmicos ante la aplicación de radiación, para producir un calentamiento superficial o volumétrico selectivo de dichos materiales.

Un tercer objeto de la invención se refiere al uso de un medio de calentamiento según cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento.

Las ventajas que aporta la invención propuesta son, principalmente: elevada velocidad de calentamiento, elevada temperatura máxima alcanzada y calentamiento selectivo, localizado en las regiones donde se concentran los materiales de Mott.

Como posibles aplicaciones de estos sistemas de calentamiento, se plantea su utilización... [Seguir leyendo]

1. Medio de calentamiento sensible a la radiación electromagnética caracterizado por que comprende micropartículas y/o nanopartículas de un material de Mott, dispuestas en la superficie y/o el volumen de una matriz espadadora de dichas partículas, donde la concentración en volumen de dicho material de Mott en la matriz espadadora es igual o inferior a su límite de percolación.

2. Medio según la reivindicación anterior, donde el material de Mott presenta una concentración de entre el 1% y el 30% en volumen en dicha matriz espadadora.

3. Medio según la reivindicación anterior, donde el material de Mott presenta una concentración de entre el 10% y el 20% en volumen en dicha matriz espadadora.

4. Medio según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el material de Mott se encuentra a una temperatura Tt en el rango |(Tt-Ta-mc)|/TA-mc á 20%, donde la temperatura TA-mc es la correspondiente a la transición A-MC del material.

5. Medio según la reivindicación anterior, donde el material de Mott se encuentra a una temperatura Tt en el rango |(Tt-Ta-mc)|/TA-mc 2 10%.

6. Medio según la reivindicación anterior, donde el material de Mott se encuentra a una temperatura Tt en el rango |(Tt-TA-mc)|/Ta-mc s 5%.

7. Medio según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el material de Mott comprende uno o más de los siguientes: óxidos simples, cobaltitas, perovskitas, magnetita, nanoestructuras de carbono.

8. Medio según la reivindicación anterior, que comprende uno o más de los siguientes compuestos: NiO, V02, CuO, LaCo03, PrCo03, NdCo03, SmCo03, EuCo03, GaCo03, La0,9Sr0,1CoO3, SmNi03, EuNi03, LaMn03, C, La1-XSrXNi03.

9. Medio según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende sustancias dopantes o fases activas en el entorno del material de Mott.

10. Medio según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la matriz espadadora comprende un material no conductor transparente a la radiación electromagnética.

11. Medio según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la matriz espadadora comprende una estructura basada en uno o más de los siguientes: monolitos de cordierita, KBr, zeolitas ácidas y cálcicas, alúmina, Ti02, Ce02, un óxido metálico formalmente sin electrones d o fen la capa de valencia, un fluido dieléctrico.

12. Medio según cualquiera de las reivindicaciones 1-9, donde la matriz espadadora comprende un material capaz de absorber radiación electromagnética.

13. Medio según la reivindicación anterior, donde el material capaz de absorber radiación electromagnética comprende una zeolita sódica.

14. Método de calentamiento de materiales que comprende la aplicación de radiación no ionizante a un medio de calentamiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-13.

15. Método según la reivindicación 14, donde la radiación se encuentra en el rango de frecuencias de las microondas y/o radiofrecuencia.

16. Método según cualquiera de las reivindicaciones 14-15, donde las partículas del material de Mott se disponen de forma inhomogénea en la matriz espadadora, de forma que se generen gradientes térmicos ante la aplicación de radiación, para producir un calentamiento superficial o volumétrico selectivo.

17. Método según cualquiera de las reivindicaciones 14-16, donde la aplicación de la radiación se opera de forma pulsada mediante absorción-irradiación.

18. Uso de un medio de calentamiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-13 en un reactor catalítico.