Tendencias en nuevos materiales:
Tendencias en nuevos materiales:
nanociencia
nanociencia
y materiales
y materiales
multifuncionales
multifuncionales
Departamento de
Departamento 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
Grupo de Altas Presiones y Espectroscopía, UC
Grupo MALTA-Consolider, España
Departamento de Física, Universidad del Estado de Colorado, EEUU
Fronteras de la F
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 F
Fronteras de la F
Fronteras de la F
Fronteras de la F
Fronteras de la F
Fronteras de la Fíísica sica 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
¿De qué
está
constituida la
materia a escala atómica?
¿Qué
entendemos por materiales?
Compuestos
Compuestos con con unauna determinadadeterminada composicicomposicióónn atatóómicamica y y estructuraestructura……
¿Qué
entendemos por materiales?
…
…
y (
y (
sobretodo
sobretodo
)
)
sus
sus
propiedades
propiedades
La evolución de los materiales y sus propiedades
Prehistoria
Prehistoria
- Aplicaciones domésticas inmediatas
- Transformación básica
Los materiales y sus propiedades
Prehistoria
Prehistoria
HITOS:
Fuego (temperatura) Materias primas (minerales)
Los materiales y sus propiedades
Prehistoria
Prehistoria
Los materiales y sus propiedades
Prehistoria
Prehistoria
Edad del bronce: la transformación: Cu + Sn
Fundir el hierro
Fe
T
F= 1.535 C
T
E= 2.850 C
Los materiales y sus propiedades
Siglos
Siglos XIX y XXXIX y XX
Método científico Experimentación
Búsqueda sistemática: - desarrollo del conocimiento
- materiales con nuevas aplicaciones - mejora de prestaciones
Cómo podemos clasificar a los materiales:
funcionalidad y aplicaciones
Propiedades
Propiedades::
- Eléctricas metales y dieléctricos (cerámicos)
- Magnéticas imanes duros y blandos
- Mecánicas dureza, resistencia, flexibilidad
Funcionalidad y aplicaciones
Propiedades
Propiedades::
- Eléctricas metales y dieléctricos (cerámicos)
Funcionalidad y aplicaciones
Propiedades
Propiedades::
- Eléctricas metales y dieléctricos (cerámicos)
Funcionalidad y aplicaciones
Propiedades
Propiedades::
- Eléctricas metales y dieléctricos (cerámicos) - Magnéticas imanes duros y blandos
- Mecánicas dureza, resistencia, flexibilidad
Diamantes
Naturales o sintéticos
Fibras de
Funcionalidad y aplicaciones
Propiedades
Propiedades::
- Eléctricas metales y dieléctricos (cerámicos) - Magnéticas imanes duros y blandos
- Mecánicas dureza, resistencia, flexibilidad
- Ópticas transmisión de luz, luminiscencia
Fibra óptica
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
Material Prestaciones
Modelización
Estructura
Propiedades
Síntesis
La importancia de la investigación en nuevos materiales
El
tetraedro metodológico: protocolo
tetraedro
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 laboratorios
FLUORESCENCIA
EXCITACIÓN CON LASER: λ = 407 nm
DAC
Importancia de los materiales
1) HITOS:
el nacimiento de la electrónica (1948)
1962
1982 1948
Bell Telephone Labs, Inc.
Importancia de los materiales
Importancia de los materiales
2) HITOS:
el láser (1960)
RUBI
Maiman
Importancia de los materiales
2) HITOS:
el láser de semiconductor
Importancia de los materiales
3) HITOS:
la superconductividad (1911 y 1986)
H. K. Onnes, Commun. Phys. Lab.12,120, (1911)
...y la superconductividad de alta temperatura!!!
IBM (1986)
La1.85Ba0.15CuO4
K. Alex Müller y J. Georg Bednorz
T
C≈
35 K
...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
UC
UC
SUPERCODUCTOR YBaCuO
IMÁN: NdFeB
Superconductividad de alta temperatura.
Importancia
Superconductividad de alta temperatura.
Importancia
Importancia de los materiales
4) HITOS:
la magnegtorresistencia
gigante
(1857 y 1988)
Peter Grünberg
Albert Fert
W. Thomson, “ProceedingsoftheRoyal Society ofLondon, 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, andJ. Chazelas,
Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988)
G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach, andW. Zinn,
Phys. Rev. B 39, 4828 (1989)
Fe Cr Fe
Importancia de los materiales
4) HITOS:
la magnegtorresistencia
gigante
(1857 y 1988)
Importancia de los materiales
4) HITOS:
la magnegtorresistencia
gigante
(1857 y 1988)
¿Qué
son los materiales multifuncionales
y la
nanociencia?
-
Multifuncionales
Materiales que presentan diversas propiedades (eléctricas, magnéticas, ópticas y mecánicas) simultáneamente, que se interrelacionan y
compiten dando lugar a nuevos (y fascinantes) fenómenos.
-
Nanociencia
Parte 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
A) Nanomateriales
Cabello 0,1 mm
Nanomateriales
Cabello 0,1 mm
0,1 mm = 100 μm
10 μm
Corte transversal del cabello
Nanomateriales
Tamaño de partícula 1 μm 10 nm 100 nm . . . . . . . . . . . . . 1 nm Microscopio electrónicoNanomateriales
Tamaño de partícula 1 nm
Átomo
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:
Nanomateriales: caracterización estructural
Nanocristales
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
Nanomateriales
¿Qué
ventajas puede aportar la nanoestructura?
L V(r) = V0 ) x ( ψ ) E E ( x ) x ( ψ m 2 2 0 2 2 − = ∂ ∂ h m 2 k E E 2 2 0 + h = 3 z 2 y 1 x n L π 2 k n L π 2 k n L π 2 k = = = ) L n n n ( m π 2 E E 2 2 3 2 2 2 1 2 2 0 + + + = h E . . . . . 2 2 2 mL π 2 h ΔE ≈ 1.4eV si L = 1 nm
Nanomateriales
¿Podría modificar L? ¿Y la masa m?
¿Pueden coexistir dos gases al mismo al tiempo?
L V(r) = V0 E . . . . . 2 2 2 2 g L m π 2 E + h ΔE ≈1.4 eV si L = 1 nm y m = m0 2 1 2 2 L m π 2 h − . . . . .
Nanomateriales: propiedades
Efecto del tamaño en las propiedades ópticas del material
Nanomateriales
Nanomateriales
basados en carbono
Fulerenos
y nanotubos
Nanomateriales
basados en carbono
Fulerenos
encapsulado en nanotubo
Microscopía electrónica
alta resolución (TEM)
20 nm Fe Nanotubo vacio Nanotubo lleno
Nanomateriales
en aplicaciones biomédicas
B) Materiales multifuncionales
Materiales que presentan diversas propiedades (eléctricas, magnéticas, ópticas y mecánicas) simultáneamente, que se interrelacionan y
compiten dando lugar a nuevos (y fascinantes) fenómenos.
Materiales multiferroicos:
coexistencia electricidad y magnetismo
Fontcubertaet al.,Nature Materials 6, 296 -302 (2007)
Materiales multifuncionales
de Fe
2+magnetismo, óptica y estructura:
biestabilidad
biestabilidad
Materiales multifuncionales
de Fe
2+magnetismo, óptica y estructura:
biestabilidad
biestabilidad
Derivados del azul de prusia: cianuros de formula ABC(CN)6
A: Na; B: Fe; C: Co
P = 1 atm.
P = 3.000 atm.
P = 10.000 atm.
PIEZOCROISMO
Materiales multifuncionales
CuMoO
4PuCoGa5
Materiales multifuncionales
Presente y perspectivas
The discovery of this "unconventional superconductivity" may lead scientists to a whole new class of superconducting materials and toward thegoal of
eventually synthesizing "room-temperature" superconductors.
Presente y perspectivas: nuevos retos
Metalización del Hidrógeno
Gas en condiciones normales
Metálico a 1.000.000 atm y 2700 ºC
¿Sólido metálico?
PRESIÓN (Millonesde atmósferas)
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Resistividad (Ohm -cm) 10 1 0.1 0.001 0.001 0.0001
