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Tendencias en nuevos materiales: Tendencias en nuevos materiales:
nanocienciananociencia
y materiales y materiales multifuncionalesmultifuncionales
Departamento deDepartamento de
Ciencias de la Tierra y FCiencias de la Tierra y Fíísica de la Materia Condensadasica de la Materia Condensada
Facultad de Ciencias
UNIVERSIDAD DE CANTABRIA
Fernando Rodríguez
Grupo de Altas Presiones y Espectroscopía, UC
Grupo MALTA-Consolider, España
Departamento de Física, Universidad del Estado de Colorado, EEUU
Fronteras de la FFronteras de la Fíísicasica 10 abril 2008
ESQUEMA ESQUEMA
Interés estratégico de la Ciencia de Materiales en I+D.
Los materiales y sus propiedades. Clasificación.
Funcionalidad y aplicaciones.
Importancia de la investigación en nuevos materiales: algunos hitos.
¿Hacia dónde evolucionan los materiales? Nanociencia
y materiales multifuncionales: retos.
Fronteras de la FFronteras de la Fíísicasica 10 abril 2008
Fronteras de la FFronteras de la Fíísicasica 10 abril 2008
Fronteras de la FFronteras de la Fíísicasica 10 abril 2008
Fronteras de la FFronteras de la Fíísicasica 10 abril 2008
Fronteras de la FFronteras de la Fíísicasica 10 abril 2008
AREA DE MATERIALES (CSIC):
-
23 unidades asociadas en Ciencia y tecnología de materiales.
-
24 unidades asociadas
en Ciencia y tecnologías físicas (9 relacionadas con la Física de materiales).
-
26 unidades asociadas
en Ciencia y tecnologías químicas (11 relacionadas con la Ciencia de materiales).
¿De qué
está
constituida la materia a escala atómica?
¿Qué
entendemos por materiales?CompuestosCompuestos
con con unauna
determinadadeterminada
composicicomposicióónn
atatóómicamica
y y estructuraestructura……
Cobre metálico: CuÓxido superconductor:
YBaCuO
¿Qué
entendemos por materiales?
…… y (y (sobretodosobretodo) ) sussus
propiedadespropiedades
Cobre: CuÓxido superconductor:
YBaCuO
La evolución de los materiales y sus propiedadesPrehistoriaPrehistoria
- Aplicaciones
domésticas
inmediatas
- Transformación
básica
- Utensilios
y armas
Los materiales y sus propiedades
PrehistoriaPrehistoria
HITOS:
Fuego (temperatura)
Materias
primas
(minerales)
Primeras
transformaciones!!!
Los materiales y sus propiedades
PrehistoriaPrehistoria
Pigmentos
minerales
ARTE
Los materiales y sus propiedades
PrehistoriaPrehistoria
Edad
del bronce: la transformación: Cu + Sn
y del hierro: altas
temperaturas
Fundir el hierro
FeTF
= 1.535 C
TE
= 2.850 CMUY ALTAS TEMPERATURAS!!!!
Los materiales y sus propiedades
SiglosSiglos
XIX y XXXIX y XX
Método
científico
Experimentación
Búsqueda
sistemática:
-
desarrollo
del conocimiento
-
materiales
con nuevas
aplicaciones
-
mejora
de prestaciones
Desarrollo
de la química:
-
nuevos
materiales
Ejemplo: la electrónica y sus aplicaciones
Cómo podemos clasificar a los materiales: funcionalidad y aplicaciones
PropiedadesPropiedades::
-
Eléctricas
metales
y dieléctricos
(cerámicos)
-
Magnéticas
imanes duros y blandos
-
Mecánicas
dureza, resistencia, flexibilidad
-
Ópticas transmisión de luz, luminiscencia
Funcionalidad y aplicaciones
PropiedadesPropiedades::
-
Eléctricas
metales
y dieléctricos
(cerámicos)
Cerámicas pZT
Funcionalidad y aplicaciones
PropiedadesPropiedades::
-
Eléctricas
metales
y dieléctricos
(cerámicos)
-
Magnéticas
imanes duros y blandos; diamagnéticos
Funcionalidad y aplicaciones
PropiedadesPropiedades::
-
Eléctricas
metales
y dieléctricos
(cerámicos)
-
Magnéticas
imanes duros y blandos
-
Mecánicas
dureza, resistencia, flexibilidad
DiamantesNaturales o sintéticos
Fibras de carbono aceros
Funcionalidad y aplicacionesPropiedadesPropiedades::
-
Eléctricas
metales
y dieléctricos
(cerámicos)
-
Magnéticas
imanes duros y blandos
-
Mecánicas
dureza, resistencia, flexibilidad
-
Ópticas transmisión de luz, luminiscencia
Fibra óptica
LEDS Materiales fotoluminiscentes
La importancia de la investigación en nuevos materiales
El boom del desarrollo
científico
(Siglo
XX)
- Teoría
cuántica: dinámica
de electrones
en átomos
y moléculas
- Desarrollo
de técnicas
experimentales
microscópicas-
Difracción
de rayos
X
estructura
de atómica
de los materiales
- Espectroscopía
estructura
electrónica
de átomos, moléculas
y sólidos
- Microscopía óptica
y electrónica
microestructura
y conformado
- Bajas temperaturas y altas presiones
transformación de materiales
- Modelización: ingeniería
de materiales; materiales
a “medida”
Material Prestaciones
Modelización
Estructura
Propiedades
Síntesis
La importancia de la investigación en nuevos materiales
El tetraedrotetraedro metodológico: protocolo
La importancia de la investigación en nuevos materiales
Grandes Instalaciones científicas y pequeños laboratorios
Reactor de neutrones
La importancia de la investigación en nuevos materiales
Grandes Instalaciones científicas y pequeños laboratoriosRadiación sincrotrón
FLUORESCENCIA
EXCITACIÓN CON LASER: λ = 407 nm
DAC
Pequeños laboratorios
Importancia de los materiales
1) HITOS: el nacimiento de la electrónica (1948)1962
1982
1948
Bell Telephone
Labs, Inc.
Bardeen, Schockley
y Brattain
Funcionalidad y aplicaciones
Importancia de los materialesel nacimiento de la electrónica..... hasta hoy
Semiconductores: células solares
UCUC
Importancia de los materiales
2) HITOS: el láser (1960)
RUBI
MaimanLáser
de Rubí
(694.3 nm).
Importancia de los materiales
2) HITOS: el láser de semiconductor
GaAs
GaN
ZnO: Co
Unidades de almacenamiento (CD-DVD)
Importancia de los materiales
3) HITOS: la superconductividad (1911 y 1986)
H. K. Onnes, Commun. Phys. Lab.12,120, (1911)
H. K. Onnes, Commun. Phys. Lab.12,120, (1911)
Descubrimiento de la superconductividad
...y la superconductividad de alta temperatura!!!
IBM (1986)La1.85
Ba0.15
CuO4
K. Alex Müller
y J. Georg Bednorz
TC
≈
35 K
HELVETICA PHYSICA ACTA 56: 237 (1983)
...y la superconductividad de alta temperatura!!!
Hg0.8 Tl0.2 Ba2 Ca2 Cu3 O8.33
HgBa2 Ca2 Cu3 O8
HgBa2 Ca3 Cu4 O10+
HgBa2 Ca1-x Srx Cu2 O6+
HgBa2 CuO4 +
138 K*
133-135 K
125-126 K
123-125 K
94-98 K
IBM (1986)
Levitación magnética en la UCUC
SUPERCODUCTOR
YBaCuO
IMÁN: NdFeB
Superconductividad de alta temperatura.
Importancia
Superconductividad de alta temperatura. Importancia
Diagnóstico en resonancia magnética nuclear
Importancia de los materiales
4) HITOS: la magnegtorresistencia
gigante (1857 y 1988)
Peter Grünberg
Albert Fert
W. Thomson, “Proceedings
of
the
Royal Society
of
London, 8, pp. 546–550 (1856–1857)
M.N. Baibich, J.M. Broto, A. Fert, F. Nguyen van Dau, F. Petroff, P. Eitenne, G. Creuzet, A. Friederich, and
J. Chazelas, Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988)
G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach, and
W. Zinn, Phys. Rev. B 39, 4828 (1989)
FeCrFe
Importancia de los materiales
4) HITOS: la magnegtorresistencia
gigante (1857 y 1988)
Fe/Cr/Fe
Importancia de los materiales
4) HITOS: la magnegtorresistencia
gigante (1857 y 1988)
Cr2
O3
¿Qué
son los materiales multifuncionales
y la nanociencia?
-
MultifuncionalesMateriales que presentan diversas propiedades (eléctricas, magnéticas, ópticas y mecánicas) simultáneamente, que se interrelacionan y compiten dando lugar a nuevos (y fascinantes) fenómenos.
-
NanocienciaParte de la ciencia que se ocupa de los materiales (sistemas) cuyos tamaños son del orden del nanómetro (nm)
1 nm
= 10-9
m = 10-3 μm
NUEVOS FENÓMENOS Y MANIPULACIÓN MICROSCÓPICA
A) Nanomateriales
Cabello
0,1 mm
0,1 mm =
100 μm
NanomaterialesCabello
0,1 mm
0,1 mm =
100 μm
10 μm
Corte transversal del cabello
Microscopio
óptico
Nanomateriales
Tamaño
de partícula
1 μm
10 nm
100 nm
.
.
.
.
.
.
.
.
..
.
.. 1 nm
Microscopio electrónico
NanomaterialesTamaño
de partícula
1 nmÁtomo
TEM última generación
Nanomateriales
Interés
y características
1) Material intermedio
entre el átomo
y el compuesto
macroscópico
2) Nuevas
propiedades: tipo
átomo
/ tipo
material a la vez
3) Manipulación
microscópica. Tamaño
reducido. Microsistemas.
4) Integración
con distintos
compuestos: inorgánicos, orgánicos
y biológicos
5) Multidisciplinareidad: Impacto
en diversos
campos
científico-tecnológicos.
Nanomateriales: caracterización estructuralNanocristales
de CdSe
en la fase hexagonal
Tamaño 4 nm
CdS 6 GPa LO= 297 cm-1 FWHM= 16 cm-1
2 LO= 598 cm-1 FWHM= 27 cm-1
Nanomateriales
¿Qué
ventajas puede aportar la nanoestructura?
L
V(r) = V0
)x(ψ)EE(x
)x(ψm2 02
22
−=∂
∂h
m2kEE
22
0h
+=
3z
2y
1x
nLπ2k
nLπ2k
nLπ2k
=
=
=
)L
nnn(mπ2EE 2
23
22
21
22
0++
+=h
E .....2
22
mLπ2 h
ΔE ≈
1.4
eV
si L = 1 nm
Nanomateriales¿Podría modificar L? ¿Y la masa m?
¿Pueden coexistir dos gases al mismo al tiempo?
L
V(r) = V0E
.....
22
22
g Lmπ2E h
+
ΔE ≈
1.4
eV
si L = 1 nm
y m = m0
21
22
Lmπ2 h
−
.....
Nanomateriales: propiedadesEfecto del tamaño en las propiedades ópticas del material
E/2 (eV) Diameter
(Å)
Nanomateriales
Nano
ábaco IBM, División de investigación Zurich
Nanomateriales
basados en carbonoFulerenos
y nanotubos
C60
Ih
Nanomateriales
basados en carbonoFulerenos
encapsulado en nanotubo
armchair (n,n) zig zag (n,0) chiral
Microscopía electrónica alta
resolución
(TEM)
20 nm
Fe
Nanotubo vacio
Nanotubo lleno
Nanomateriales
de hierro (Fe)
Nanomateriales
en aplicaciones biomédicasen combinación con materiales multifuncionales
B) Materiales multifuncionalesMateriales que presentan diversas propiedades (eléctricas, magnéticas, ópticas y mecánicas) simultáneamente, que se interrelacionan y compiten dando lugar a nuevos (y fascinantes)
fenómenos.
Physicsl
Review Letters 93, 146601 (2004)
Materiales multiferroicos:coexistencia electricidad y magnetismo
Fontcuberta
et al.,
Nature Materials 6, 296 -
302 (2007)
La0.1
Bi0.9
MnO3
Materiales multifuncionales
de Fe2+
magnetismo, óptica y estructura: biestabilidadbiestabilidad
Materiales multifuncionales
de Fe2+
magnetismo, óptica y estructura: biestabilidadbiestabilidad
Derivados
del azul
de prusia:
cianuros
de formula ABC(CN)6A: Na; B: Fe; C: Co
Fe-NC-Co Fe-NC-Co
P = 1 atm. P = 3.000 atm.
P = 10.000 atm.
PIEZOCROISMO
Materiales multifuncionales
CuMoO4
conductividad, óptica y estructura: biestabilidadbiestabilidad
PuCoGa5
Materiales multifuncionales
Presente y perspectivas
The discovery of this "unconventional superconductivity" may lead scientists to a whole new class of superconducting materials and toward the
goal of eventually synthesizing "room-temperature" superconductors.
March 31, 2005 -- University of California scientists at Los Alamos National Laboratory
Presente y perspectivas: nuevos retos
Metalización del HidrógenoGas en condiciones normalesMetálico a 1.000.000 atm y 2700 ºC
¿Sólido metálico?
PRESIÓN (Millones
de atmósferas)0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Res
istiv
idad
(Ohm
-cm
)
10
1
0.1
0.001
0.001
0.0001
Solidificación del Hidrógeno metálicoPosibles aplicaciones: (W.J. Nellis, Investigación y Ciencia, Julio 2000)
• Superconductor a temperatura ambiente
• Estructuras ligeras y duras
• Combustible limpio
• Pastillas de fusión
Nuevos retos: manipulación molecular.
Tecnología electrónica