Tendencias en nuevos materiales: nanociencia y materiales multifuncionales

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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

(2)

Grupo de Altas Presiones y Espectroscopía, UC

Grupo MALTA-Consolider, España

Departamento de Física, Universidad del Estado de Colorado, EEUU

Fronteras de la F

(3)

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

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Fronteras de la F

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Fronteras de la F

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Fronteras de la F

(7)

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

(8)

¿De qué

está

constituida la

materia a escala atómica?

(9)

¿Qué

entendemos por materiales?

Compuestos

Compuestos con con unauna determinadadeterminada composicicomposicióónn atatóómicamica y y estructuraestructura……

(10)

¿Qué

entendemos por materiales?

y (

y (

sobretodo

sobretodo

)

)

sus

sus

propiedades

propiedades

(11)

La evolución de los materiales y sus propiedades

Prehistoria

Prehistoria

- Aplicaciones domésticas inmediatas

- Transformación básica

(12)

Los materiales y sus propiedades

Prehistoria

Prehistoria

HITOS:

Fuego (temperatura) Materias primas (minerales)

(13)

Los materiales y sus propiedades

Prehistoria

Prehistoria

(14)

Los materiales y sus propiedades

Prehistoria

Prehistoria

Edad del bronce: la transformación: Cu + Sn

(15)

Fundir el hierro

Fe

T

F

= 1.535 C

T

E

= 2.850 C

(16)

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

(17)
(18)

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

(19)

Funcionalidad y aplicaciones

Propiedades

Propiedades::

- Eléctricas metales y dieléctricos (cerámicos)

(20)

Funcionalidad y aplicaciones

Propiedades

Propiedades::

- Eléctricas metales y dieléctricos (cerámicos)

(21)

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

(22)

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

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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

(24)

Material Prestaciones

Modelización

Estructura

Propiedades

Síntesis

La importancia de la investigación en nuevos materiales

El

tetraedro metodológico: protocolo

tetraedro

(25)

La importancia de la investigación en nuevos materiales

Grandes Instalaciones científicas y pequeños laboratorios

Reactor de neutrones

(26)

La importancia de la investigación en nuevos materiales

Grandes Instalaciones científicas y pequeños laboratorios

(27)

FLUORESCENCIA

EXCITACIÓN CON LASER: λ = 407 nm

DAC

(28)

Importancia de los materiales

1) HITOS:

el nacimiento de la electrónica (1948)

1962

1982 1948

Bell Telephone Labs, Inc.

(29)
(30)

Importancia de los materiales

(31)
(32)

Importancia de los materiales

2) HITOS:

el láser (1960)

RUBI

Maiman

(33)

Importancia de los materiales

2) HITOS:

el láser de semiconductor

(34)
(35)

Importancia de los materiales

3) HITOS:

la superconductividad (1911 y 1986)

(36)

H. K. Onnes, Commun. Phys. Lab.12,120, (1911)

(37)

...y la superconductividad de alta temperatura!!!

IBM (1986)

La1.85Ba0.15CuO4

K. Alex Müller y J. Georg Bednorz

T

C

35 K

(38)

...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)

(39)

Levitación magnética en la

UC

UC

SUPERCODUCTOR YBaCuO

IMÁN: NdFeB

Superconductividad de alta temperatura.

Importancia

(40)

Superconductividad de alta temperatura.

Importancia

(41)

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

(42)

Importancia de los materiales

4) HITOS:

la magnegtorresistencia

gigante

(1857 y 1988)

(43)

Importancia de los materiales

4) HITOS:

la magnegtorresistencia

gigante

(1857 y 1988)

(44)

¿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

(45)

A) Nanomateriales

Cabello 0,1 mm

(46)

Nanomateriales

Cabello 0,1 mm

0,1 mm = 100 μm

10 μm

Corte transversal del cabello

(47)

Nanomateriales

Tamaño de partícula 1 μm 10 nm 100 nm . . . . . . . . . . . . . 1 nm Microscopio electrónico

(48)

Nanomateriales

Tamaño de partícula 1 nm

Átomo

(49)

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:

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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

(51)

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

(52)

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 − . . . . .

(53)

Nanomateriales: propiedades

Efecto del tamaño en las propiedades ópticas del material

(54)

Nanomateriales

(55)

Nanomateriales

basados en carbono

Fulerenos

y nanotubos

(56)

Nanomateriales

basados en carbono

Fulerenos

encapsulado en nanotubo

(57)

Microscopía electrónica

alta resolución (TEM)

20 nm Fe Nanotubo vacio Nanotubo lleno

(58)

Nanomateriales

en aplicaciones biomédicas

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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.

(60)

Materiales multiferroicos:

coexistencia electricidad y magnetismo

Fontcubertaet al.,Nature Materials 6, 296 -302 (2007)

(61)

Materiales multifuncionales

de Fe

2+

magnetismo, óptica y estructura:

biestabilidad

biestabilidad

(62)

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

(63)

P = 1 atm.

P = 3.000 atm.

P = 10.000 atm.

PIEZOCROISMO

Materiales multifuncionales

CuMoO

4

(64)

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 thegoal of

eventually synthesizing "room-temperature" superconductors.

(65)

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

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Solidificación del Hidrógeno metálico

Posibles aplicaciones:

(W.J. Nellis, Investigación y Ciencia, Julio 2000)

Superconductor a temperatura ambiente

Estructuras ligeras y duras

Combustible limpio

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(70)

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