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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