Captulo 3

Captulo 3Propiedades de los NanomaterialesIng Edwin J. Urday U.1UNSA - MaterialesCap. 3. Propiedades de los NanomaterialesNanomateriales3.1 Propiedades Mecnicas - Escala y PropiedadesLa mayora de los materiales son policristalinos, formado por cristales ordenados, pero en los lmites existe desorden.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales2

NanomaterialesCap. 3. Propiedades de los NanomaterialesUNSA - Materiales23.1 Propiedades Mecnicas - Escala y PropiedadesTodos los materiales cristalinos tienen dos escalas de longitud estructural: la de los cristales y la de los tomos que los forman.El tamao de los cristales, por lo general, est entre 0,1 mm y 1 mm.Los materiales nanocristalinos tiene cristales mucho ms pequeos, en el rango de 10-100 nm.Mientras ms pequeos los cristales, mayor es la fraccin de material desordenado.La presencia del material desordenado influye en las propiedades mecnicas y otras.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales3NanomaterialesCap. 3. Propiedades de los NanomaterialesUNSA - Materiales3El material se desordenado completamente cuando el tamao de los cristales se reduce hasta aproximarse a las dimensiones atmicas.Estos materiales se llaman amorfos, es decir, sin estructura.Ellos slo tienen una escala de longitud caracterstica, la de los tomos o molculas que los componen.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales43.1 Propiedades Mecnicas - Escala y Propiedades

NanomaterialesCap. 3. Propiedades de los NanomaterialesUNSA - Materiales4Los polmeros puede adoptar formas cristalinas y amorfas.Algunas cadenas moleculares largas de cristalitos puede estar dobladas como una cortina plegada separadas por enredos confusos y desordenados de molculas.La forma molecular es desordenada y, por lo tanto, la estructura es amorfa, sin una escala bien definida de longitud ms all de la molcula misma.Por lo tanto, el estado amorfo es un lmite de los materiales nanoestructurados.En consecuencia, sus propiedades tambin tendran lmites.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales53.1 Propiedades Mecnicas - Escala y PropiedadesNanomaterialesCap. 3. Propiedades de los NanomaterialesUNSA - Materiales5NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales6

3.1 Propiedades Mecnicas - Escala y Propiedades6UNSA - MaterialesCap. 3. Propiedades de los NanomaterialesNanomateriales3.1 Propiedades Mecnicas Dependencia de las Propiedades con la EscalaDe acuerdo a la mecnica continua las propiedades mecnicas de los materiales son independiente de la escala.La descripcin micromecnica de los materiales tambin supone que las propiedades de los granos o cristales individuales de un material pueden ser promediadas para obtener las propiedades del material, sin tener en cuenta su escala.Esta descripcin sirvi bien para el siglo XIX y para la primera parte del siglo XX.Pero a medida se desarrollaron aceros y aleaciones de aluminio con una mayor resistencia, se hizo evidente que la aproximacin continua no siempre era aplicable.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales7Es en los extremos de la escala submicromtrica hasta la nanomtrica que las propiedades son crecientes.Casi todos los aceros de alta resistencia, aleaciones de aluminio, magnesio y titanio que se utilizan para el transporte areo y terrestre, exploracin espacial, y para defensa derivan su resistencia de la dispersin de partculas en la nanoescala.El uso de la nanoestructuracin aumenta la dureza y resistencia de los materiales.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales83.1 Propiedades Mecnicas Dependencia de las Propiedades con la Escala3.1 Propiedades MecnicasPropiedades Mecnicas de Materiales Nanoestructurados NanodispersionesNo es nuevo el uso de la nanoestructuracin para lograr alta resistencia.Cuando se calienta una aleacin con 4% Cu y 96% Al a 550C, el cobre se disuelve.Si la aleacin se enfra rpidamente con agua a temperatura, el cobre se mantiene disuelto.Los tomos de Cu distorsionan ligeramente al cristal de Al, haciendo un poco ms difcil el movimiento de las dislocaciones.Si la aleacin se "envejece" a 150C, los tomos se reorganizan por difusin y el cobre precipita como nanodispersiones de CuAl2 en la forma de plaquetas.

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales9NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales10

3.1 Propiedades MecnicasPropiedades Mecnicas de Materiales Nanoestructurados NanodispersionesCurva de endurecimiento de una aleacin de aluminio que muestra cmo se desarrolla la resistencia con la formacin de partculas en la nanoescala.

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales113.1 Propiedades MecnicasPropiedades Mecnicas de Materiales Nanoestructurados NanodispersionesCuando se permite que las partculas se engruesen , creciendo en tamao y en espacio, y la resistencia disminuye gradualmente.La resistencia se mantiene en forma indefinida si la aleacin es templada cuando la resistencia est en su mximo.Otros mtodos que se pueden usar para obtener materiales de alta resistencia son por aleacin, endurecimiento por dispersin, y endurecimiento por trabajo.Se podra mejorar an ms las propiedades mecnicas con la reduccin de escala de los cristales (o granos), para que estos mecanismos se desarrollen con nanocristales, nanocapas, o materiales amorfos.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales123.1 Propiedades MecnicasPropiedades Mecnicas de Materiales Nanoestructurados Nanodispersiones3.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosSlidos Nanocristalinos No es fcil producir materiales con nanogranos.Al producir un material nanocristalino se crea una rea de lmite interno muy grande, que es difcil de obtener y mantenerlo, una vez logrado.la dureza depende del tamao de grano de acuerdo a

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales13

(3.1)NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales14

3.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosSlidos Nanocristalinos NanomaterialesCap. 3. Propiedades de los NanomaterialesUNSA - Materiales14NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales15

3.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosSlidos Nanocristalinos NanomaterialesCap. 3. Propiedades de los NanomaterialesUNSA - Materiales15Los lmites de grano actan como obstculos para el movimiento de las dislocaciones La resistencia del obstculo se mide por la fuerza f * por unidad de longitud de dislocacin requerido para cortar a travs del lmite y provocar una dislocacin en el siguiente grano.Este tipo de obstculos de los lmites provoca la acumulacin de dislocaciones hasta que la fuerza excede f *.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales163.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosSlidos Nanocristalinos

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales17Apilamientos en un grano y en una capa de una estructura de nanocapas (izq), el apilamiento con ms detalle (der.).3.1 Propiedades Mecnicas - Las propiedades mecnicas de los Materiales Nanoestructurados Slidos Nanocristalinos

El nmero N de dislocaciones en tales apilamientos cambia con el esfuerzo de corte aplicado ( - 0) y la distancia L entre la fuente de la dislocacin y el obstculo - en este caso, la mitad del dimetro d de un grano:

Aqu es el coeficiente de Poisson (aproximadamente 0,3), y 0 describe las contribuciones de todos los otros mecanismos de endurecimiento.El esfuerzo cortante causada por una tensin o un esfuerzo de compresin es /2. NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales18(3.2)

3.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosSlidos Nanocristalinos Igualando ( - 0) a ( - 0)/2 y el mdulo de corte G a 3E/8, se obtiene

donde C es una constante adimensional con un valor aproximado de 2.La fuerza que estos ejercen sobre el obstculo se magnifica por su nmero, por lo que el obstculo se vencer cuandoNanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales19

(3.3)

(3.4)3.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosSlidos Nanocristalinos Sustituyendo con /2 como antes y eliminando N de estas dos ecuaciones, se obtiene

o

dondeNanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales20

(3.5)

(3.6)

(3.7)3.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosSlidos Nanocristalinos El valor de k* vara de 5 a 15 GPa - que es casi igual a la resistencia ideal.Este resultado se conoce como la ecuacin de Hall-Petch, donde k* es la constante de Petch.La dureza H es exactamente tres veces la resistencia .Se conoce que cuanto menor sea el tamao de grano d, menor ser el nmero de dislocaciones que puedan ser empacados en el apilamiento.Entonces, cuanto menor es su efecto amplificante, ms grande ser el esfuerzo requerido a aplicarse para superar el obstculo.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales213.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosSlidos Nanocristalinos Sin embargo, se llega un punto donde N corresponde a 1 y no es posible el apilamiento.Esto ocurre en un grano de tamao d *, que, a partir de las Ecs. 3.3 y 3.6, est dada por

Al igual que con el cobre, la dureza del nquel (y resistencia) aumenta por un factor de 7 a medida que el tamao de grano d disminuye de 10 micras a 10 nm.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales22

(3.8)3.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosSlidos Nanocristalinos NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales23

Aumento de la resistencia del nquel con la disminucin del tamao del grano a la nanodimension 3.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosSlidos Nanocristalinos Los datos son re-graficados de la manera sugerida por la Ec. 3.6, con d-1/2 en el eje x.Las medidas son compatibles con la ecuacin, con un valor de k* de 5 GPa.Insertando este valor en la Ec. 3.8 predice un tamao de grano crtico por debajo del cual no se cumple la relacin de Hall- Petch. Su valor, 10 nm, se representa en la figura.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales243.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosSlidos Nanocristalinos NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales25

los mismos datos graficados para revelar la relacin de Hall-Petch (abajo)3.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosSlidos Nanocristalinos 3.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosNanolaminados Los nanolaminados son multicapas, capas alternas, por lo general de dos materiales diferentes.Las capas tienen que ser delgadas, de un espesor entre algunas capas atmicas y unas cuantas decenas de nanmetros.Los datos de resistencia a la traccin de laminados de cobre-nquel se trazan en funcin del perodo de dos capas en la siguiente figura.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales26NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales27

3.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosNanolaminados El aumento de la resistencia de nanolaminados de cobre-nquel graficados en funcin del perodo de dos capas 3.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosNanolaminados una nanolaminado de dos metales blandos (cobre y nquel, por ejemplo) con un perodo de dos capas de unos cuantos nanmetros pueden tener una resistencia de varios GPa, ubicndose dentro de un factor de 2 o 3 de la resistencia terica "ideal" de alrededor de E/15.Los datos se han re-graficado en escalas logartmicas en la figura que se presenta a continuacin.Al igual que con los sistemas nanocristalinos, las escalas de resistencia est representado por d-1/2, donde d es ahora el perodo de doble capa.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales28NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales29

los mismos datos de la figura anterior trazados en escala logartmica3.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosNanolaminados La explicacin es la misma: para que se produzca la deformacin, las dislocaciones se tienen que desplazar a travs de la capas y de las intercaras.Cuando d es grande, se forma el apilamiento, aumentando el esfuerzo aplicado, cuanto ms pequea comienza a ser d, ms pequeo es el nmero de dislocaciones que pueden ser desplazadas en un apilamiento y ms pequeo es el aumento de la deformacin aplicada.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales303.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosNanolaminados 3.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosMateriales AmorfosSi el tamao de los cristales se reduce hasta que alcanza las dimensiones atmicas, entonces material est ahora completamente desordenado, es decir ahora es amorfo.los materiales que son amorfos se denominan vidrios, Muchos polmeros son vidrios, entre ellos el policarbonato, acrlico (plexiglass) y el poliestireno.El vector de Burger de una dislocacin - el "quantum" de la deformacin, es de dimensiones atmicas, por lo que las dislocaciones interaccionan fuertemente con las partes desordenadas de las estructuras, produciendo materiales amorfos de alta dureza y resistencia.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales31Los materiales amorfos es una clase extrema de materiales nanoestructurados.Las siguientes figuras grafican las propiedades mecnicas excepcionales de estos y otros materiales nanoestructurados.En primer lugar, la figura a, es un grfico del mdulo y la densidad de los materiales de ingeniera.Las zonas de color incluyen clases de materiales; las burbujas individuales dentro de ellos describen los materiales.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales323.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosMateriales Amorfos

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales333.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosMateriales AmorfosEn la figura b, con los mismos ejes, las zonas de las clases de la figura a aparecen sombreadas.Las reas superpuestas con smbolos ms remarcadas representan a las propiedades los materiales nanoestructurados: nanocompuestos polmericos, metlicos y de cermicos, metales nanocristalinos, y nanofibras y nanotubos, identificados por sus propios zonas.La comparacin hace evidente que la nanoestructuracin tiene la capacidad de crear materiales con una mayor resistencia en principio.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales343.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosMateriales Amorfos

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales353.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosMateriales AmorfosLas siguientes figuras muestran una comparacin similar del lmite elstico y resistencia a la traccin en funcin de la densidad.Los materiales de ingeniera con ms resistencia alcanzan niveles de alrededor de 2000 MPa.Los materiales nanoestructurados y amorfos convencionales incrementan la resistencia hasta 6000 MPa, un aumento por un factor de 3.Las resistencias reportadas aqu se extienden hasta 60 GPa.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales363.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosMateriales Amorfos

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales373.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosMateriales Amorfos

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales383.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosMateriales Amorfos

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales393.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosMateriales Amorfos

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales403.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosMateriales AmorfosEl diagrama que se muestra en la siguiente figura a grafica la resistencia ideal de los materiales de ingeniera.En la Figura b se regrafica la figura a para materiales nanoestructurados, nanorecubiertos y amorfos.Sus propiedades se encuentran dentro de un factor de aproximadamente 3 del ideal.Bajo stas condiciones se est cerca del lmite terico.Por lo tanto, ser muy difcil disear materiales ms resistentes que estos.

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales413.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosMateriales AmorfosNanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales42

3.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosMateriales Amorfos

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales433.1 Propiedades MecnicasPropiedades mecnicas de Materiales NanoestructuradosMateriales Amorfos3.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesPunto de FusinEl punto de fusin de un material est relacionado directamente con la resistencia del enlace.En los materiales de ingeniera la relacin superficie-volumen es pequea porque la curvatura de la superficie es insignificante.Para los nanomateriales, donde la relacin superficie a masa es grande, se puede considerar que contienen fases superficiales, adems de las fases tpicas internas.Para los nanomateriales 0-D y 1-D, la curvatura superficial es generalmente bastante grande.En consecuencia, para los nanomateriales la temperatura de fusin es dependiente del tamao.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales44Los efectos superficiales, se puede expresar mediante la introduccin de un termino adicional ( GSurface) en el cambio de energa total ( GTotal) como resultado de la transformacin slido-lquido

donde GBulk es la energa libre del material de ingeniera

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales45

(3.9)

(3.10)3.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesPunto de FusinCuando se incrementa la superficie de un slido, el cambio de energa superficial est dada por

donde es la tensin superficial y A es el incremento en el rea superficial.A la T de fusin, se forma una capa de lquida con espesor t en la superficie, que se mueve a una velocidad determinada hacia el slido.Durante la fusin, se crea ms superficie lquida y una interfase lquido/slido, destruyndose la superficie slida.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales46

(3.11)3.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesPunto de FusinNanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales473.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesPunto de Fusin

En otras palabras, Gsurface se puede escribir como

En el equilibrio, el ncleo slido de radio r tiene el mismo potencial qumico que la capa lquida circundante de espesor t, que se produce cuando el diferencial Gtotal/t = 0.

(3.12)Para una esfera, esto sucede cuando

Si t 0, significa que la capa inicial de fusin, es decir, la T externa de fusin de una esfera se puede determinar con la expresin

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales483.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesPunto de Fusin

(3.13)

(3.14)donde el trmino 2SL/r est asociado con el aumento de la presin interna resultante de un aumento en la curvatura de la partcula con la disminucin del tamao de partcula.Como las variables SL, L0, y r son cantidades positivas, por lo tanto, la T de fusin externa de una nanopartcula esfrica disminuye con la reduccin del tamao de partcula.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales493.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesPunto de FusinNanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales50

3.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesPunto de FusinNanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales51

3.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesPunto de FusinEn un nanocompuesto la superficie de la nanopartcula estar en contacto con una matriz en lugar de estar expuesto a la atmsfera circundante.Por lo tanto, la energa interfacial slido/lquido por unidad de rea SL se debe balancear segn el teorema de Young, en la forma

donde LM es la energa interfacial lquido/matriz por unidad de rea, SM es la energa interfacial slido/matriz por unidad de rea y es el ngulo de mojabilidad.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales52

(3.15)3.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesPunto de FusinNanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales53

3.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesPunto de FusinSi = 90, entonces cuando SM > LM la T de fusin de las nanopartculas embebidas deben ser menor que la T de fusin de la matriz.Por otro lado, si SM < LM, la T de fusin de las nanopartculas embebidas debe ser superior a la T de fusin de la matriz.Esta ltima se denomina T de sobrecalentamiento. Por lo tanto, se puede concluir que debido al efecto de la nanoescala, la T de fusin se puede incrementar o reducir con respecto al material matriz.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales543.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesPunto de Fusin3.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesTransporte TrmicoLos materiales transportan el calor por dos mecanismos: por ondas de vibracin de la red (fonones) y por electrones libres.El mecanismo electrnico de transporte de calor en los metales es ms eficiente que los procesos con fonones porque tienen un alto nmero de electrones libres y porque los electrones no son tan fcilmente dispersados.Los fonones son el principal mecanismo de transporte trmico de los no metales debido a la falta de disponibilidad de electrones libres y porque es la dispersin de fonones es mucho ms eficiente.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales55En el caso de materiales no metlicos convencionales, las longitudes de onda de los fonones son ms pequeas que la escala de la microestructura.Pero en los nanomateriales la escala de la microestructura es similar a la longitud de onda de los fonones, por lo tanto, se produce el confinamiento cuntico.En los nanomateriales 0-D, el confinamiento cuntico se produce en tres dimensiones.En los nanomateriales 1-D, el confinamiento est limitado a dos dimensiones.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales563.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesTransporte TrmicoEn los nanomateriales 2-D el confinamiento cuntico tiene lugar en una dimensin.Estos efectos de confinamiento son similares para el transporte de electrones en los nanomateriales.El confinamiento cuntico se produce por la presencia de superficies cercanas en las nanoestructuras 0-D, 1-D y 2-D, ocasionado un cambio en la distribucin de las frecuencias de los fonones en funcin su longitud de onda, as como la aparicin de fonones superficiales.Estos procesos conducen a cambios en la velocidad y en la forma de propagacin de la amplitud de la onda.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales573.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesTransporte TrmicoAdems, se modifica la duracin del fonn debido a la interaccin fonn-fonn, superficie libre y dispersin del lmite de grano.Sobre esta base, se produce el confinamiento fonnico en nanoestructuras 0-D.Los nanomateriales 1-D se comportan como una gua de onda fonnica, similares a las guas pticas de luz.Por ejemplo, los nanotubos de C, tienen una conductividad trmica altas a lo largo de los nanotubos, cerca de 3000 Wm-1K-1. Como comparacin, se debe tener en cuenta que la conductividad trmica del cobre es aproximadamente 400 Wm-1K-1.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales583.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesTransporte TrmicoLos nanomateriales 2-D se pueden clasificar como pelculas de una sola capa con espesor en la escala nanomtrica, pelculas multicapas compuesta de varias capas en la nanoescala, pelculas delgadas con unidades nanoestructuradas.Estos materiales nanoestructurados de pelcula delgada se puede subdividirse comomateriales nanocristalinos y materiales nanoporosos que contienen nanovacos.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales593.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesTransporte TrmicoLos materiales nanoporosos se usan como material dielctrico en la industria microelectrnica por su baja constante dielctrica, su conductividad trmica es baja, Las pelculas delgadas con una sola capa en la nanoescala, tienen una conductividad trmica inferior a los materiales convencionales correspondientes.De hecho, cuanto ms delgada es la pelcula, ms baja es la conductividad trmica.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales603.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesTransporte TrmicoNanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales61

3.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesTransporte TrmicoEn el caso de las pelculas multicapas y materiales con granos en la nanoescala, se tiene que considerar la idea de que una interfase produce una resistencia trmica.Esto se debe a que una interfase constituye una interrupcin de la red cristalina regular en la que se propagan fonones.La presencia de una interfase produce dispersin de fonones y por lo tanto una reduccin de la conductividad trmica.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales623.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesTransporte TrmicoNanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales63

3.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesTransporte TrmicoPara materiales nanoporosos, el efecto del tamao nanomtrico se determina por el nmero y tamao de los poros.Debido a la porosidad, estos materiales tienen baja constante dielctrica y conductividad trmica, lo que, conduce a un aumento en la temperatura de operacin y la falla de circuitos electrnicos.Se considera al slido poroso como un material compuesto que tiene un matriz ocupado por huecos.

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales643.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesTransporte TrmicoSe ha demostrado que el hierro nanocristalino exhibe una mayor capacidad calorfica que el hierro policristalino de grano grueso, debido a la fraccin grande de los lmites de grano.Las nanoescamas de ZnO tienen un menor capacidad calorfica que el ZnO grueso entre 83K a 103K, mientras que por encima de 103K es todo lo contrario.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales653.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesTransporte TrmicoLas nanopartculas de plata con 3,2 nm de tamao promedio incrustados en un vidrio aumentan su coeficiente de expansin trmica con la T, en comparacin con la plata microestructural.Pero para nanopartculas de plata de 5,1 nm, no se observan cambios en el coeficiente de dilatacin trmica con respecto al material convencional.Este comportamiento se debe a la mayor relacin superficie a volumen de partculas ms pequeas y los enlaces creados a travs de la interfase partcula-vidrio.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales663.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesTransporte TrmicoEn el caso de nanotubos carbono de pared simple, tienen un coeficiente de expansin trmica bastante baja.Esto se debe a efectos de la expansin en el plano, el estiramiento del enlace, y a la flexin del enlace, que se anulan entre s.En consecuencia, un nanocompuesto de Al reforzado con 15% en volumen de nanotubos de C de pared simple present un coeficiente de expansin trmico que es un tercio al del nano aluminio puro.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales673.2. Propiedades Trmicas de NanomaterialesTransporte Trmico3.3. Propiedades Elctricasla conduccin de electrones en los materiales de ingeniera es deslocalizada, en comparacin con los nanomateriales.Durante su movimiento los electrones son dispersados por diversos mecanismos, como por fonones, impurezas e interfaces.Ocurren dos efectos importantes cuando se reduce la escala a la nanoescala :el efecto cuntico, debido al confinamiento de los electrones de las bandas de energa se convierte en paquetes de energa, dando lugar a que los materiales se puedan comportar como semiconductores o aislantes, yel efecto clsico, donde el promedio de la trayectoria de dispersin inelstica es comparable con el tamao del sistema, dando lugar a una reduccin de los eventos de dispersin.

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales68Se pueden despreciar los dos efectos en los nanomateriales 3-D porque las tres dimensiones estn por encima de la nanoescala.La dispersin de electrones se incrementa en los materiales nanocristalinos porque tienen una alta relacin de rea de lmite de grano a volumen. Por lo tanto, los nanogranos tienden a reducir la conductividad elctrica.En el caso de nanomateriales 2-D con el espesor en la nanoescala, el confinamiento cuntico se producir a lo largo de la dimensin de espesor.

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales693.3. Propiedades ElctricasDe hecho, a medida que el espesor se reduce a la nanoescala, las funciones de onda de los electrones estn limitadas a valores muy especficos a lo largo de la seccin transversal.Esto es porque solo se permitir electrones de longitudes de onda que sean mltiplos enteros del espesor.Todas las otras longitudes de onda de electrones estarn ausentes.En otros trminos, hay una reduccin en el nmero de estados de energa disponibles para la conduccin de electrones a lo largo de la direccin del espesor.los electrones quedan atrapados en lo que se llama un pozo de potencial de ancho igual al espesor.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales703.3. Propiedades ElctricasNanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales71Energas y funciones de onda de los primeros cinco estados confinados para el caso de un pozo cuntico de profundidad infinita.

3.3. Propiedades ElctricasNanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales72

(3.16)3.3. Propiedades ElctricasNanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales733.3. Propiedades ElctricasNanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales74

(3.17)3.3. Propiedades ElctricasComo resultado, la energa total de un electrn (debido al confinamiento y al movimiento sin restricciones) en un nanomaterial de 2-D con el espesor en la nanoescala se puede calcular con

Como los estados electrnicos estn limitados a lo largo del espesor de nanoescala, el impulso de los electrones slo es apreciable a lo largo del plano de direcciones.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales75

(3.18)3.3. Propiedades ElctricasComo resultado, la dispersin por fonones y por impurezas se produce principalmente en el plano, dando lugar a una conduccin 2-D de electrones.Sin embargo, para nanomateriales 2-D con estructura nanocristalina, la gran cantidad de lmite de grano proporciona una fuente adicional de dispersin en el plano.Por lo tanto, cuanto menor sea el tamao de grano, menor es la conductividad elctrica de materiales nanocristalinos 2- D.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales763.3. Propiedades ElctricasEn el caso de nanomateriales 1-D, el confinamiento cuntico se produce en dos dimensiones, mientras que el movimiento sin restricciones slo se produce a lo largo de el eje largo del nanotubo/barra/cable.para un nanomaterial 1-D, la energa de un rgimen de 2-D depende de dos nmeros cunticos, ny y nz, en la forma

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales77

(3.19)3.3. Propiedades ElctricasTeniendo en cuenta el movimiento de electrones en la direccin x (eje longitudinal), la Ec. 3.19 se puede modificar a

La Ec. 3.20 establece que los estados electrnicos de nanomateriales 1-D no presentan una banda nica de energa, sino se extienden a subbandas 1-D.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales78

(3.20)3.3. Propiedades ElctricasDebido al confinamiento, los nanomateriales 1-D actan como reflectores, no permitiendo que los electrones salgan a la superficie.Adems, la dispersin por impurezas y/o fonones se limita al eje longitudinal del tubo, a pesar del hecho de que la dispersin por los lmites es ms pronunciada debido a la alta relacin superficie a volumen de los nanomateriales 1-D.Como consecuencia de ello, el transporte de electrones a lo largo del tubo se produce sin grandes prdida de energa cintica. NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales793.3. Propiedades ElctricasPara los nanomateriales 0-D, el movimiento de los electrones est totalmente confinado a lo largo de las tres direcciones Lx, Ly, y Lz. Por lo tanto, el total la energa esta dado por

De esta manera, todos los estados de energa son discretos y no se produce deslocalizacin de electrones.En estas condiciones, las nanopartculas metlicas se pueden comportar como aislantes, debido a la formacin de una banda prohibida de energa.

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales80

(3.21)3.3. Propiedades ElctricasPara los nanomateriales 2- D y 3-D, se puede establecer contactos hmicos, pero no para nanomateriales 0-D y 1-D porque por lo general la resistencia de contacto es alta.Por lo tanto, uno de los mecanismos para establecer la conduccin es a travs de un tnel de electrones.Este fenmeno, se puede explicar mediante configuracin de dos metales separados por un aislante delgado.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales813.3. Propiedades Elctricas

Para que un electrn pase de un metal a otro a travs del aislante, uno de los metales deben tener estados de energa desocupados.Una manera sencilla de lograr esto es aplicar un voltaje V a travs del circuito para elevar la energa de Fermi de uno de los metales.De esta manera, los electrones pueden crear un tnel desde el metal con la mayor energa de Fermi al metal con la menor energa de Fermi, produciendo una corriente I a lo largo del circuito.La corriente I = V/R, donde R es la resistencia.La resistencia se debe principalmente al tnel de electrones.Bajo estas condiciones, la conductancia C, definido como C = I/V, aumenta debido al tnel del electrn.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales823.3. Propiedades ElctricasEl fenmeno de efecto tnel de electrones tambin se puede utilizar para desarrollar transistores de efecto de campo (FET) a partir de puntos cunticos.En este caso, dos electrodos, una fuente y un drenaje, estn acoplados a un punto cuntico y se conectan a travs de un circuito.

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales833.3. Propiedades Elctricas

Adems, se proporciona un voltaje de entrada para el punto cuntico para controlar su resistencia y la corriente que pasa entre la fuente y el drenaje.Los electrones hacen un tnel desde la fuente hasta el punto cuntico y luego al drenaje, uno a la vez.Por lo tanto, la unin, que acta como un condensador, sufre un aumento del voltaje V = e/C (e es la carga elemental ), cuando se aade un solo electrn.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales843.3. Propiedades ElctricasSi el cambio de voltaje es suficientemente grande, se puede impedir el paso de otro electrn por el tnel.Este efecto es llamado bloqueo de Coulomb.Como resultado, los electrones no pasarn por el tnel hasta que se alcance una voltaje discreto.Para promover el efecto tnel de electrones, la temperatura tiene que ser lo suficientemente baja para que la energa (e2/C) necesaria para cargar la unin con un electrn exceda la energa trmica kT.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales853.3. Propiedades ElctricasNanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales86

Escalera de Coulomb de un solo tnel del electrn producido por puntos cunticos. Cada meseta en la corriente es el resultado de un bloqueo de Coulomb.3.3. Propiedades ElctricasUna nanopartcula permite que el bloqueo de Coulomb sea observable a altas temperaturas porque la capacitancia disminuye con el tamao de la partcula.El alto nmero de lmites de grano de los materiales nanocristalinos aumentar la constante dielctrica.Esto se debe al hecho de que las cargas positivas y negativas que se segregan en las interfaces dar lugar a alguna forma de polarizacin cuando se aplica un campo elctrico.Un efecto similar se produce en los nanocompuestos de matriz polimrica reforzado con nano rellenos de TiC. NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales873.3. Propiedades Elctricas3.4. Propiedades magnticasLa energa total para cualquier material ferromagntico se puede determinar con:

donde Eexc es el intercambio de energa, Eani es la energa de anisotropa, Edem es la energa de desmagnetizacin y Eapp es la energa asociada con un campo magntico aplicado.Tambin se debe incluir una energa magnetostrictiva en la Ec. 3.22 para materiales magnticos macroscpicos, pero esta energa no se toma en cuenta para los nanomateriales.

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales88(3.22)

3.4. Propiedades magnticasEsta energa de magnetizacin Etotal puede estar relacionada con un campo magntico, segn la expresin

DondeM es el vector de magnetizacin y H es el campo magntico aplicado.La energa de intercambio, Eexc de la Ec. (3.22) se debe a la interaccin de la mecnica cuntica entre los momentos magnticos atmicos y representa la tendencia de los vectores de magnetizacin a alinearse en una sola direccin.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales89

(3.23)Si el momento magntico es suficientemente grande, el campo magntico resultante puede inducir a un vecino ms cercano a alinearse en la misma direccin, siempre que la energa intercambio de sea mayor que la energa trmica.El trmino Eani de la Ec. 3.22 representa a la energa de anisotropa que resulta de la tendencia del espn a la alinearse en paralelo a los ejes cristalogrficos especficos, llamados ejes fciles.Por lo tanto, un material magntico blando tiene energa de anisotropa baja, mientras que un material magntico duro tiene una energa de anisotropa alta.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales903.4. Propiedades magnticasEl tercer trmino de la Ec. 3.22, Edem, la energa de desmagnetizacin, que est relacionada con el carcter de dipolo magntico de los espines, conduce a la formacin de dominios magnticos.Por lo tanto, para los materiales ferromagnticos macroscpicos, todos los momentos magnticos se alinean en dominios magnticos, aunque no son paralelos a los vectores de magnetizacin de dominios diferentes.Cada dominio se magnetiza hasta la saturacin, con los momentos normalmente alineados en una direccin fcil.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales913.4. Propiedades magnticas

Fig. 3.23 Estructura de dominio cerrado de un material ferromagntico macroscpico.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales92Fig. 3.22 Estructura de dominio abierto de un material ferromagntico macroscpico.3.4. Propiedades magnticasDependiendo de la relacin de la energa de anisotropa a la de desmagnetizacin, se puede espera abrir (relacin < 1) o cerrar las estructuras de dominio (relacin > 1).La energa asociada a un campo magntico aplicado, llamada energa de Zeeman y representada por el trmino Eapp de la Ec. 3.22, resulta de la tendencia de los espines a alinearse con un campo magntico.En un principio, a medida que aumenta el campo magntico, tambin aumenta la magnetizacin del material.Sin embargo, en algn momento, se alcanza un punto de saturacin, llamado magnetizacin de saturacin.La magnetizacin de saturacin es dependiente del material y de la temperatura.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales933.4. Propiedades magnticasPara materiales ferromagnticos nanocristalinos, una consideracin importante es la interaccin entre la energa la intercambio, la energa anisotrpica, la energa de desmagnetizacin.Para partculas o granos muy pequeos, las fuerzas de intercambio son dominantes debido a un fuerte acoplamiento, haciendo que se alineen todos los espines de los granos vecinos, reemplazando de esta manera las fuerzas anisotrpicas y de desmagnetizacin.Por lo tanto, existe un tamao de grano crtico por debajo del cual el material ser de dominio nico.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales943.4. Propiedades magnticasPara granos esfricos, el dimetro crtico est dado por

donde B = 4(AK1)1/2 es la energa de la pared del material; A = constante de intercambio, tambin conocida como resistencia de intercambio, que es una funcin del material y de la temperatura; K1 = constante anisotrpica; 0 = permitividad del espacio libre, y MS = magnetizacin de saturacin.

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales95

(3.24)3.4. Propiedades magnticasPor lo tanto, si el tamao de partcula o de grano es menor que el dimetro crtico, el material es de dominio nico.Bajo estas condiciones es probable que la magnetizacin se vuelva inestable y se produzca la prdida de magnetizacin debido a las fluctuaciones trmicas.Estos materiales se llaman superparamagnticos.Otras propiedades magnticas tambin son fuertemente afectadas por la escala.Para tratar este punto, se debe recordar en primer lugar la respuesta magntica de un material ferromagntico convencional a un campo magntico aplicado (Fig. 3.24).NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales963.4. Propiedades magnticas

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales973.4. Propiedades magnticasAl reducir el tamao de las partculas o el tamao de los granos a escala nanomtrica, se puede modificar la curva de magnetizacin de la figura anterior.En general, el campo coercitivo de un material ferromagntico aumenta con la disminucin del tamao de partcula o del tamao de grano, alcanzando un mximo dentro de un rango alrededor del dimetro crtico.Si el tamao de partcula o el tamao de grano es menor que del dimetro crtico, el campo coercitivo se reduce drsticamente hasta que la magnetizacin se vuelve inestable debido a la comportamiento superparamagntico (Fig. 3.25).NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales983.4. Propiedades magnticas

Fig. 3.25 Coercitividad en funcin del tamao de grano o de partculas. Las lneas verticales representan el dimetro crtico (Dcrit) y el dimetro superparamagntico (DSP). Adems, tambin se puede observar los regmenes de dominio simple (SD) y de multidominio (MD).NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nanomateriales993.4. Propiedades magnticasDentro de este rgimen, la histresis puede se eliminar por completo a cualquier temperatura.De hecho, compuestos amorfos Fe -Ni- Co con tamaos de grano de 10-15 nm prcticamente no tienen histresis.Desde un punto de vista tcnico, si la idea es fabricar un imn permanente fuerte, la fuerza coercitiva debe estar diseada para ser tan alta como sea posible.Adems de la coercitividad, el mecanismo de inversin de la magnetizacin tambin est fuertemente afectado por el tamao.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales1003.4. Propiedades magnticasDentro de un especfico intervalo de dimetro, por lo general mayor que el dimetro supermagnetico, pero menor al dimetro crtico, la energa de interaccin de intercambio es lo suficientemente fuerte para mantener los espines alineados durante el proceso de inversin.por fuera de este intervalo de dimetros, pero an por debajo del dimetro crtico (Dcri), el proceso de inversin de la magnetizacin se vuelve incoherente, con la participacin de la intercambio de pequeas cantidades de materiales dentro de las nanopartculas o granos de tamao nanomtrico.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales1013.4. Propiedades magnticasEl tamao de las nanopartculas o granos magnticos tambin tiene un efecto en la magnetizacin de saturacin, es decir, la magnetizacin aumenta por debajo de un determinado tamao.Esta mejora en la magnetizacin ayuda a restringir la rotacin del vector de magnetizacin por movimiento trmico.Este es un tema clave para las tecnologas de grabacin magntica, en particular a medida que aumenta la densidad de grabacin requerida.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales1023.4. Propiedades magnticasOtro de los efectos magnticos que tiene un profundo significado en nanoescala es el fenmeno de la magnetorresistencia gigante y colosal.En general, la magnetorresistencia es la propiedad de un material por el cual la aplicacin de un campo magntico constante altera la resistencia elctrica.Como la resistencia elctrica de un material es un consecuencia de la dispersin de los electrones por tomos y defectos.Por lo tanto, la resistencia est asociada con la trayectoria libre media del electrn.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales1033.4. Propiedades magnticasSi se aplica un campo magntico DC, la fuerza de Lorentz puede curvar la direccin del electrn dentro de su trayectoria libre media, dando lugar a un aumento de la resistencia.La magnetorresistencia gigante (GMR), fue descubierto en pelculas compuestas por nanocapas alternas de materiales ferromagnticos y no ferromagnticos.El principio detrs de este fenmeno est asociado con las diferencias de estados de densidad de electrones spin-up y spin-down en un ferromagneto y la resistencia proporcionada por la presencia de interfaces.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales1043.4. Propiedades magnticasLos electrones de espn diferentes (arriba y abajo) tienen velocidades de dispersin distintas debido a que las velocidades de dispersin son proporcionales a la densidad de estados.Los electrones de conduccin con los espines paralelos a la magnetizacin se dispersarn menos, mientras que los electrones con los espines no paralelos a la magnetizacin sern fuertemente dispersados.Por lo tanto, si hay dos capas magnticas con la magnetizacin en la misma direccin, permiten el paso de los electrones en un estado de espn (por ejemplo, spin up), mientras que los electrones spin-down sern dispersados por cada capa (Fig. 3.26).NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales1053.4. Propiedades magnticasNanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales106

Fig. 3.26 Eventos de dispersin de los electrones spin-up y spin-down a travs de dos capas ferromagnticas en paralelo y antiparalelo.3.4. Propiedades magnticasPor otro lado, si las capas magnticas tienen una alineacin antiparalelo, tanto los espines hacia arriba (up) como hacia abajo (down) sern dispersados por cada capa (Fig. 3.26), dando lugar a un aumento de la resistencia elctrica.Por lo tanto, la conmutacin de la magnetizacin de las capas en paralelo a antiparalelo cambia la resistividad de mayor a menor, respectivamente.El proceso de induccin de la magnetizacin en paralelo de las capas es simple, es suficiente aplicar un campo magntico CD grande como para saturar la magnetizacin.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales1073.4. Propiedades magnticasSin embargo, producir una magnetizacin antiparalela de materiales estratificados no es fcil.Con el mtodo de acoplamiento antiferromagntico, la idea es utilizar una capa de separacin no magntica entre dos nanocapas ferromagnticas (Fig. 3.27a ).Dentro de un intervalo de espesores del espaciador, la magnetizacin de las dos capas ferromagnticas prefieren estar en un estado antiparalelo.Para cambiar a un modo paralelo, se aplica un campo magntico lo suficientemente grande (Fig. 3.27b).

NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales1083.4. Propiedades magnticasNanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales109

Fig. 3.27 ( a) Magnetorresistencia gigante por acoplamiento antiferromagntico en estructuras de mltiples capas que consiste en alternancia de materiales magnticos y no magnticos. En ausencia de un campo aplicado, las capas son antiparalelas (alta resistencia), (b) mientras que en la presencia de un campo magntico de las capas son paralelas (baja resistencia ).3.4. Propiedades magnticas

Otro mtodo utiliza dos materiales ferromagnticos con diferentes coercividades.De esta manera, a medida que el campo magntico se invierte, una capa cambiar su direccin de magnetismo antes que la otra.Sin embargo, sigue siendo un reto disear materiales que pueden cambiar rpidamente con un campo magntico aplicado.El tercer mtodo se basa en lo que se denomina el cambio de polarizacin, mediante el cual una capa ferromagntica puede girar mientras que una segunda capa ferromagntica no rota.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales1103.4. Propiedades magnticasEl mejor ejemplo de tal dispositivo es la vlvula de espn (Fig. 3.27c ).Este dispositivo consta de dos capas ferromagnticas, FM1 y FM2.La capa FM1 se fija con el ltimo plano de espines del antiferromagntico (AF).Como resultado, la capa FM1 se satura con el campo cero y no se ver afectada por cambios de pequeos campos aplicados.La otra capa ferromagntica, FM2, llamada capa libre, es un imn blando, muy sensible a pequeos campos magnticos aplicados, y se puede alinear de forma paralela o antiparalela a la capa FM1.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales1113.4. Propiedades magnticasNanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales112

Fig. 3.27(c) Magnetorresistencia gigante en un espin vlvula.3.4. Propiedades magnticasEl separador, que no es ferromagntico, impide el acoplamiento magntico que pueda ocurrir entre las dos capas ferromagnticas.Con esta configuracin, cuando las capas fija y libre estn en paralelo, el dispositivo se encuentra en el modo de baja resistencia.A medida que el campo aplicado rota la capa libre, las dos capas ferromagnticas comienzan a ponerse en la posicin antiparalela y la resistencia aumenta de forma espectacular.En general, el espesor de estas estructuras multicapa es de alrededor de 10 nm.Adems de estos materiales en capas, se ha demostrado que el GMR se produce tambin en los nanocompuestos, donde se incorporan nanopartculas con mono-dominios en una matriz no ferromagntica.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales1133.4. Propiedades magnticasCuando se aplica un campo magntico DC, la magnetizacin de las nanopartculas las alinea con el campo, lo que reduce la resistencia.En general, mientras ms pequeas sean las nanopartculas, ms alta es la magnetorresistencia.Sin embargo, para estos nanocompuestos, la magnetorresistencia es isotrpica, contrario al comportamiento de los materiales en capas.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales1143.4. Propiedades magnticasUna variacin del efecto GMR, llamada magnetorresistencia colosal (CMR), tambin se ha encontrado en los xidos de perovskita a base de manganeso.Para los materiales que muestra el efecto GMR, los cambios en la resistencia son alrededor del 5%, mientras que en el caso de los materiales que muestra el comportamiento de CMR, la resistencia se puede cambiar por rdenes de magnitud.Para mejorar la lectura magntica, el cabezal debe ser muy sensible a pequeos cambios en los campos magnticos en una rea muy pequea y en muy poco tiempo.NanomaterialesCap. 3. Prop. de Nan materiales1153.4. Propiedades magnticas